קיוביטים ארוכים שורדים כ'איים' בסביבה רועשת - עולם הפיזיקה

משך הזמן שבו סיביות קוונטיות (קווביטים) שומרים על הטבע הקוונטי שלהם הוא קריטי עבור מחשוב קוונטי מכיוון שהוא קובע את מספר ומורכבות החישובים שהם יכולים לבצע. במשך עשרות שנים, החוכמה המקובלת הייתה שהגדלת זמן הקוהרנטיות כביכול זה פירושה הגנה על קיוביטים זה מזה ומפני הפרעות חיצוניות. אולם כעת, חוקרים ממכון פול שרר בשוויץ, ETH ציריך ו-EPF לוזאן הפכו את הרעיון הזה על ראשו על ידי כך שהראו שחלק מהקיוביטים יכולים לשרוד לתקופות ארוכות יותר בסביבה רועשת.

כמו מחשבים קלאסיים המאחסנים מידע בביטים בעלי ערכים של 0 או 1, מחשוב קוונטי מסתמך על מערכות הקיימות בשני מצבים אפשריים. ההבדל הוא שקיוביטים יכולים להיות גם בסופרפוזיציה של שני המצבים הללו. העמימות הזו היא שמאפשרת להם לבצע חישובים מסוימים הרבה יותר מהר ממכונות קלאסיות, אבל מצבי קוונט הם שבירים ונוטים להתפרק - כלומר הם חוזרים להתנהג כמו 0 ו-1 קלאסיים, ומאבדים את המידע הקוונטי היקר שלהם.

בעבודה האחרונה, חוקרים בראשות מדען פוטוניקה גבריאל אפלי חקר קיוביטים במצב מוצק העשויים מיוני טרביום מסוממים לתוך גבישים של איטריום ליתיום פלואוריד (YLiF₄). ליונים אלה יש שתי רמות קוונטיות נמוכות עם הבדל אנרגיה בתחום תדר התקשורת של 5G, ומערכות שתי המדינות הללו הן שהחוקרים השתמשו בהן בתור הקיוביטים שלהן. הם גילו שבעוד שרוב הקיוביטים חווים רק זמני קוהרנטיות ממוצעים, קומץ הקיוביטים שנוצרים בזוגות של יוני טרביום הממוקמים קרוב זה לזה מתגלים כ"קוהרנטיים להפליא".

פסגות חדות ומובהקות

החוקרים צפו בקווביטים קוהרנטיים בצורה יוצאת דופן אלה באמצעות ספקטרוסקופיה של מיקרוגל ובדיקות אקו ספין, אשר משמשות באופן שגרתי למדידת זמני קוהרנטיות. הם מצאו שיאים חדים ומובחנים מאוד במדידות ההד שלהם, התואמים לזמני קוהרנטיות ארוכים בהרבה (פי 100 יותר במקרים מסוימים) עבור הקיוביטים-יונים הזוגיים מאשר עבור קיוביטים הממוקמים במרחקים ממוצעים משכניהם. הצוות מסביר את זמני הקוהרנטיות הארוכים הללו בכך שהיונים המזווגים אינם יכולים להחליף אנרגיה עם יונים בודדים קרובים ולכן אינם מוטרדים מאינטראקציות איתם.

"מטרת המחקר הזה הייתה להוכיח שאפשר ליצור סופרפוזיציות קוהרנטיות קוונטיות של רמות שדה גבישים (ארגונים שונים באנרגיה נמוכה של האלקטרונים על יוני כדור הארץ הנדירים), אפילו בריכוז גבוה למדי של היונים", מסביר חבר צוות מרקוס מולר. "בהתחלה לא היה ברור כלל שנוכל לראות קוהרנטיות בסביבה כל כך רועשת וזה היה גילוי בלתי צפוי שהקוהרנטיות הייתה מאוד לא אחידה בין הישויות המסוממות וש'איים' של קוהרנטיות גבוהה יכולים לִשְׂרוֹד."

התגלית יכולה להודיע ​​על עיצובים של ארכיטקטורות מחשוב קוונטי, הוא מוסיף - במיוחד עבור תוכניות שבהן קיוביטים מושתלים באופן אקראי במטריצת מארח. יישומים פוטנציאליים אחרים כוללים שימוש בקווביטים כחיישנים קוונטיים לדינמיקה מגנטית בסביבתם. זה עשוי, למשל, לאפשר לחוקרים לחקור את מהירות דיפוזיית הספין במערכות משולבות אקראיות דו-קוטביות במחקרים על לוקליזציה של גופים רבים והתפקיד שאינטראקציות דו-קוטביות ממלאות בהשפלתה.

אופטימיזציה של הרגישות של צמד הקיוביטים

במבט קדימה, החוקרים שואפים לייעל את הרגישות של הקווביטים הזוגיים שלהם וליצור מחדש סופרפוזיציות קוונטיות של מצבים אלקטרו-גרעיניים מקומיים בחומרים מארח ללא ספין גרעיני. הסרת ספין גרעיני תמזער מקורות לא רצויים של רעש מגנטי, אשר ב-YLiF₄ נובעים בעיקר מהספין של אטומי הפלואור.

קיוביטי טעינה מקבלים דחיפה של פי אלף

"אנחנו גם ננסה להשיג סופרפוזיציות קוהרנטיות דומות של מצבי יונים בעלי תנע זוויתי שונה" מגלה מולר. "אלה ירחיבו את טווח תדרי העירור מאזור המיקרוגל (30 גיגה-הרץ) שאנו מעסיקים כיום לטווח האופטי, שבו הזמינות של לייזרים חזקים מאפשרת זמני עירור מהירים יותר (תדרי רבי). אכן, כבר השגנו תוצאות ראשוניות מבטיחות בכיוון הזה".

הצוות גם בוחן דרכים לשימוש בזוגות של דופנטים בהקשר של עיבוד מידע קוונטי או מחשוב עם דופטנטים בסיליקון.

המחקר מפורט ב פיזיקת טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/