Pertukaran foton dengan cepat menghasilkan gerbang kuantum berkualitas tinggi – Dunia Fisika

Komputer kuantum dapat merevolusi sains, namun bit kuantum (qubit) yang dijalankannya rapuh. Oleh karena itu, kemampuan untuk memanipulasi qubit-qubit ini dengan cepat, sebelum interaksi dengan lingkungannya menyebabkan informasi kuantum di dalamnya membusuk, merupakan hal yang sangat penting dalam komputasi kuantum.

Cara yang menjanjikan untuk menyimpan bit kuantum adalah dengan mengkodekannya dalam tingkat energi diskrit cahaya dalam resonator kuantum seperti rongga superkonduktor. Namun, memanipulasi beberapa rongga seperti itu dapat menjadi tantangan karena adanya interaksi palsu atau saluran kesalahan tambahan yang memengaruhi informasi kuantum yang disimpan. Peneliti dari Institut Kuantum Yale di AS kini telah menemukan solusi parsial terhadap masalah ini dengan merekayasa sistem yang secara cepat mengalirkan foton dari satu rongga ke rongga lainnya tanpa merusak keadaan kuantum foton. Hasil ini merupakan langkah penting menuju gerbang kuantum yang cepat dan berkualitas tinggi untuk komputer kuantum berbasis resonator.

Rekayasa interaksi pemecah sinar menggunakan SNAIL

Dalam studi yang dipublikasikan di kuantum PRX, peneliti di laboratorium Robert Schoelkopf di Yale menggunakan elemen kopling yang disebut SNAIL (elemen induktif asimetris nonlinier superkonduktor) untuk memediasi interaksi pertukaran antara dua rongga gelombang mikro superkonduktor. Dengan menyetel SIPUT menggunakan medan magnet eksternal, mereka menekan interaksi palsu antara dua rongga, sehingga hanya menyisakan apa yang disebut “pemecah cahaya" interaksi. Mirip dengan optik linier di mana berkas cahaya dapat dibagi menjadi dua menggunakan (misalnya) cermin semi-transparan, interaksi ini memungkinkan dua rongga bertukar rangsangan pada rasio 50:50 untuk waktu interaksi tertentu.

Untuk menunjukkan hal ini, para peneliti menginisialisasi satu resonator dengan satu foton, membiarkan resonator lainnya dalam ruang hampa. Ketika mereka menyetel penggandeng SNAIL ke kondisi kerja yang optimal, mereka mengamati dua rongga yang menukar foton di antara keduanya sebanyak 500 kali sebelum sistem terdekoherensi (yaitu, sistem kehilangan sifat kuantumnya karena interaksi sisa dengan lingkungan), dengan waktu hanya 250 nanodetik per swap.

Salah satu tujuan para peneliti adalah agar resonator menukar foton dengan cepat saat kopling aktif, sekaligus memastikan bahwa rongga tidak berinteraksi saat interaksi dimatikan, sehingga menghindari efek merugikan pada informasi kuantum yang disimpan. Untuk tujuan ini, para peneliti mengukur laju pertukaran foton relatif terhadap interaksi paling menonjol antara periode non-interaksi. Mereka menemukan bahwa nilai rasio on-off ini melebihi 10⁵, menunjukkan interaksi minimal yang tidak diinginkan yang disebabkan oleh elemen kopling.

“Coupler SNAIL yang disajikan dalam karya ini memungkinkan interaksi beam-splitter yang cepat antara qubit yang dikodekan dalam rongga yang berdekatan sekaligus menekan interaksi yang mungkin menurunkan koherensi qubit, dan juga interaksi yang menyebabkan sambungan yang tidak diinginkan antara qubit,” jelas Stijn de Graaf, seorang Mahasiswa PhD di Yale dan salah satu penulis penelitian. Kedua efek tersebut, tambahnya, “pada akhirnya membatasi pendekatan sebelumnya”.

Pertukaran foton yang terkontrol dengan qubit

Sebagai aplikasi pertama dari pengaturan baru mereka, para peneliti menerapkan operasi pertukaran dua rongga yang dapat dikontrol oleh qubit yang terhubung ke salah satu resonator. Jika qubit kontrol ini berada dalam keadaan dasar, tidak ada foton di antara kedua rongga yang bertukar, tetapi jika qubit kontrol tereksitasi, keadaan dalam rongga tersebut berpindah tempat.

Operasi SWAP terkontrol ini merupakan gerbang penting untuk implementasi kuantum memori akses acak kuantum (QRAM) dan banyak algoritma kuantum. Dengan mempersiapkan qubit kontrol dalam superposisi yang sama antara dua tingkat energinya, tim juga menciptakan keadaan Bell – keadaan yang terjerat secara maksimal dalam dua rongga yang dapat dibuat dari superposisi yang sama dari keadaan yang tertukar dan tidak tertukar di dalam rongga.

Aplikasi untuk qubit rel ganda

Para peneliti berharap orang lain akan menggunakan temuan mereka untuk merancang rangkaian gerbang pendeteksi kesalahan pada qubit yang dikodekan dalam tingkat energi resonator kuantum. Ini yang disebut kode bosonik menunjukkan potensi besar untuk menerapkan koreksi kesalahan kuantum yang efisien perangkat keras, yang sangat penting untuk mengembangkan komputer kuantum skala besar.

Resonator silikon lulus uji Bell untuk keterikatan kuantum

Dalam jangka pendek, de Graaf mengatakan fokus utama tim adalah menggunakan alat yang mereka miliki untuk mengimplementasikan salah satu landasan utama dari usulan baru ini. qubit rel ganda superkonduktor. Qubit jenis ini menggunakan satu foton yang disimpan di salah satu dari dua rongga gelombang mikro sebagai status logisnya, dan memungkinkan kesalahan tertentu dideteksi dan ditandai. Kesalahan kemudian dapat ditangani nanti dalam komputasi kuantum. Jika kesalahan dapat dideteksi dengan efisiensi yang sangat tinggi, komputasi kuantum yang dapat diskalakan mungkin dapat dilakukan tanpa memerlukan koreksi kesalahan aktif. Interaksi beam-splitter cepat yang disajikan dalam karya ini merupakan blok bangunan penting untuk mendeteksi hilangnya foton tunggal dalam qubit rel ganda, yang saat ini merupakan sumber kesalahan paling menonjol pada platform perangkat keras ini.

Namun, untuk mencapainya memerlukan beberapa perbaikan teknis. “Tidak ada keraguan bahwa kami ingin terus meningkatkan ketelitian dalam seluruh pengoperasian skema ini,” kata de Graaf. “Hal ini akan memungkinkan tingkat kesalahan sejauh mungkin di bawah ambang batas koreksi kesalahan kuantum dan oleh karena itu memungkinkan kita mengurangi secara signifikan jumlah qubit yang diperlukan untuk komputer kuantum yang toleran terhadap kesalahan.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Otomotif / EV, Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• ChartPrime. Tingkatkan Game Trading Anda dengan ChartPrime. Akses Di Sini.
• BlockOffset. Modernisasi Kepemilikan Offset Lingkungan. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/rapidly-swapping-photons-make-a-high-quality-quantum-gate/