שני צוותי מחקר מבוססי ארה"ב פיתחו מעבדי מידע קוונטי המשתמשים באטומי איטרביום ניטרליים (Yb) כקיוביטים - הפעם הראשונה שהמין האטומי הזה הופעל למטרה זו. לכידת 100 אטומי Yb במערך 10 × 10, החוקרים הראו שהם יכולים לבצע עליהם פעולות שערים של שני קיוביט סבוכים, ולסלול את הדרך לעבר מחשבים קוונטיים המבוססים על בחירה זו של קיוביט.
באופן עקרוני, קיוביטים יכולים להיות כל מערכת קוונטית המסוגלת להעביר מידע דרך מה שנקרא אוגר קוונטי, המאכלס קיוביטים באותו אופן שבו אוגר קלאסי מכיל ביטים בקבוצה של 8, 16, 32 ו-64. עם זאת, בעבר, כל קיוביטים אטומים ניטרליים היו מבוססים על מתכות אלקליות כמו רובידיום או צזיום. הודות לאלקרון הערכיות היחיד שלהם, קבוצת אטומים זו ניתנת לשליטה רבה באמצעות טכניקות מתקדמות ומובנות כמו קירור לייזר ולכידה.
בניסויים האחרונים, צוותים עצמאיים בראשות אדם קאופמן מ-JILA בקולורדו ו ג'ף תומפסון מאוניברסיטת פרינסטון בניו ג'רזי השתמשו במקום זאת בספין הגרעיני של איזוטופ Yb, Yb-171, כבחירתם של קיוביט. המבנה הפנימי העשיר של המתכת ה"אלקלית דמוית אדמה" Yb מציע אפשרויות רבות לקירור ולכידה ובמקביל מאפשר ליצור מערכות קיוביט חזקות בפני הפרעות חיצוניות. קיוביטים מבוססי Yb יכולים אפוא לאפשר פעולות שערים יעילות יותר, ולהגביר את הביצועים של מעבדי מידע קוונטי.
הקמת מערך פינצטה אופטי
קריטריון חשוב למחשב קוונטי בעל נאמנות גבוהה הוא לקבל שליטה רבה ככל האפשר על האופן שבו מוגדר האוגר הקוונטי. בטכניקה שצוות JILA מכנה "טעינה כמעט דטרמיניסטית", מקורר תחילה גז של אטומים ומכינים אותו במלכודת מגנטו-אופטית. לאחר מכן הגז נדחס כדי להגדיל את צפיפות האטום לפני שהאטומים נטענים לפוטנציאל אופטי שנוצר על ידי מערך של 10 × 10 של מכשירים הידועים כפינצטה אופטית. העלייה בצפיפות מבטיחה שכל אחד מ-100 אתרי הפינצטה מכיל לפחות אטום אחד.
לאחר מכן מכניסים את האטומים הלכודים בשדה מגנטי, המחלק אותם לקבוצות מופרדות במרחב שנקבעות על ידי תת המצבים המגנטיים שלהם. זה מאפשר לחוקרים להשתמש בקרן לייזר נוספת כדי "להוציא" עודפי אטומים מאתרי פינצטה עמוסים מדי על מנת לבודד אטום בודד בכל אתר. רצף זה העמיס אטום בודד ביותר מ-90% מהמערך, ולפי Aruku Senoo, סטודנט לדוקטורט שעובד על ניסוי JILA, שילובו עם פרוטוקול סידור הפינצטה המפותח היטב אמור לאפשר קנה מידה של מספרי קיוביט.
פעולות שער קיוביט בודד
לאחר שהכינו את הקיוביטים שלהם בתת-המצב המגנטי -½ של Yb-171, חברי שני הצוותים היו מסוגלים להדגים פעולות של קיוביט בודדות, לאתחל את הקיוביטים למצב ½ בנאמנות (מדד לשליטה בפעולה) של 99.95% . מכיוון שהרצף הזה מנצל את התשתית המגנטית של רמות האנרגיה של Yb, תומפסון חושב שניתן להגדיל עוד יותר את זמן הקוהרנטיות המקסימלי של הפעולה - כלומר, משך החיים של הקיוביט - של 3.7 שניות על ידי ייצוב השדה המגנטי המשמש בהתקנה. יתר על כן, מנגנון הלכידה תלוי במצב הקיטוב של שדות האור, כך שאופטימיזציה נוספת של זה עשויה להפוך את הלכידה ליעילה יותר.
האתגר הגדול ביותר ששתי הצוותים היו צריכים להתגבר היה קביעת המצב הסופי של הקיוביט. דרך נפוצה לעשות זאת היא על ידי הדמיית פלואורסצנציה - בעצם, הזרקת אור על האטומים כדי לעורר מעבר בין רמות האנרגיה האטומית ולאחר מכן מדידת האור שהם פולטים בתגובה. עם זאת, בחירת אורך הגל הנכון עבור אלומת ההדמיה התבררה כבעייתית. בעוד שצוות JILA השתמש במעבר רחב ב-399 ננומטר, צוות פרינסטון החליט להשתמש באורך גל שנקרא "קסם" שישאיר את מצב הקיוביט ללא שינוי במהלך ההדמיה ויפחית את אובדן האטומים. אבל מכיוון שרמות האנרגיה של האיזוטופ Yb-171 עדיין לא מופו בפירוט, צוות פרינסטון היה צריך למצוא תחילה את אורך הגל הקסום הזה.
"הספקטרוסקופיה הזו לקחה חודש או חודשיים כי חיברנו לייזרים אקראיים עם עוצמה נמוכה שלפעמים יכלו ליצור רק פינצטה אחת או שתיים, אבל היא הייתה הכרחית מכיוון שלא הייתה חיזוי תיאורטי מדויק", אומר תומפסון.
שני קיוביטים מסובכים אומר רידברג
לדברי תומפסון, הניסויים הללו הם "רק ההתחלה לגלות מה אנחנו יכולים לעשות עם קיוביטים ב-Yb-171". שדרת עניין מסוימת תהיה פיתוח מחשבים קוונטיים ניתנים להרחבה המבוססים על הסתבכות בתיווך מדינות רידברג הנרגשות ביותר. צוות פרינסטון הדגים לראשונה מצב סבוך כזה ב-Yb-171. באמצעות רצף של פעימות אור, המצבים המסובכים המתאימים, או מצבי הפעמון, נוצרו בנאמנות של כ-85%.
יוני איטרביום לכודים יכולים להוות עמוד שדרה של אינטרנט קוונטי, אומרים חוקרים
למרות שנאמנות השער של שני קיוביט שהודגמה בשני הניסויים היא מתחת לזו שהודגמה על ידי פלטפורמות קיוביט יון או מוליכות-על עד כה, Senoo אומר שלמערכת קיוביט מבוססת Yb יש נתיב מבטיח לבניית מערכים של 1000 קיוביטים, בעוד שהגדלת מספר קיוביטים לכודים או מוליכים-על אפילו לרמת 100 קיוביטים אינם פשוטים במיוחד. יתרה מכך, להסתבכות בתיווך המדינה של רידברג יש את היתרון של הגבלת דיבור צולב ואינטראקציות לא רצויות במערכת סבוכה של קיוביטים רבים. אינטראקציות כאלה מפחיתות את הנאמנות של פעולות קיוביט, כפי שהוכח עם יונים לכודים וקיוביטים מוליכים-על.
לפי תומפסון, לאטומים ניטרליים בהחלט יש רגע עכשיו. שני הצוותים עובדים לקראת תיקון שגיאות קוונטי כדי להשיג נאמנות טובה יותר של שער שני קיוביטים על ידי שימוש במעברים אחרים ב-Yb-171. המחקר שלהם מתפרסם ב בחזרה-ל-בחזרה ניירות פנימה Phys Rev X.
