長寿命の量子ビットは騒々しい環境でも「島」として生き残る – Physics World

量子ビット (qubits) が量子の性質を保持する時間の長さは、実行できる計算の数と複雑さを決定するため、量子コンピューティングにとって非常に重要です。何十年もの間、このいわゆるコヒーレンス時間を増加させることは量子ビットを相互に、また外部の摂動から保護することを意味するというのが一般通念でした。しかし今回、スイスのポール・シェラー研究所、チューリッヒ工科大学、ローザンヌEPFの研究者らは、一部の量子ビットがノイズの多い環境でも長期間生存できることを示し、この考えを覆した。

0 または 1 の値を持つビットに情報を格納する古典的なコンピューターと同様に、量子コンピューティングは 0 つの可能な状態で存在するシステムに依存します。違いは、量子ビットがこれら 1 つの状態を重ね合わせることもできることです。このあいまいさにより、特定の計算を古典的なマシンよりもはるかに高速に実行できるようになりますが、量子状態は壊れやすく、デコヒーリングする傾向があります。つまり、古典的な XNUMX と XNUMX のような動作に戻り、貴重な量子情報が失われます。

最新の研究では、フォトニクス科学者が率いる研究者が ガブリエル・エプリ フッ化イットリウムリチウム(YLiF)の結晶にテルビウムイオンをドープして作られた固体量子ビットを研究した₄）。これらのイオンは、5G 通信周波数領域でエネルギー差のある XNUMX つの低位量子準位を持っており、研究者らが量子ビットとして使用したのはこれらの XNUMX 状態系です。彼らは、ほとんどの量子ビットは平均的なコヒーレンス時間しか経験しないが、互いに近接して配置されたテルビウムイオンのペアで形成される少数の量子ビットは「絶妙にコヒーレント」であることが判明した。

シャープではっきりとしたピーク

研究者らは、コヒーレンス時間の測定に日常的に使用されているマイクロ波分光法とスピンエコープローブを使用して、これらの異常にコヒーレントな量子ビットを観察した。彼らは、エコー測定で非常に鋭い明確なピークを発見しました。これは、ペアイオン量子ビットの方が、隣接する量子ビットから平均的な距離にある量子ビットよりもはるかに長いコヒーレンス時間 (場合によっては 100 倍長い) に相当します。研究チームは、ペアイオンが近くの単一イオンとエネルギー交換できないため、それらとの相互作用によって乱されないことに注目して、この長いコヒーレンス時間を説明している。

「この研究の目的は、イオン濃度がかなり高くても、結晶場レベル（希土類イオン上の電子のさまざまな低エネルギー組織）の量子コヒーレントな重ね合わせを生成できることを証明することでした」と説明する。チームメンバー マルクス・ミュラー。 「当初、このようなノイズの多い環境でコヒーレンスが確認できるかどうかはまったく明らかではありませんでした。ドープされた実体間でコヒーレンスが非常に不均一であり、コヒーレンスの高い「島」が存在する可能性があるという予期せぬ発見でした。生き残る。"

この発見は、量子コンピューティングアーキテクチャの設計、特に量子ビットがホストマトリックスにランダムに埋め込まれるスキームに役立つ可能性があると彼は付け加えた。他の潜在的な用途には、環境内の磁気力学の量子センサーとして量子ビットを使用することが含まれます。これにより、例えば、多体局在化とその劣化において双極子相互作用が果たす役割の研究において、ランダムな双極子結合系におけるスピン拡散の速度を調査できる可能性がある。

ペア量子ビットの感度の最適化

研究者らは将来に向けて、量子ビットペアの感度を最適化し、核スピンのないホスト材料内で局所電子核状態の量子重ね合わせを再現することを目指している。核スピンを除去すると、不要な磁気ノイズの発生源が最小限に抑えられます。₄ は主にフッ素原子のスピンから生じます。

電荷量子ビットが千倍にブーストされる

「また、異なる角運動量のイオン状態の同様のコヒーレントな重ね合わせを達成することも試みる予定です」とミュラー氏は明かす。 「これらにより、励起周波数の範囲が現在使用されているマイクロ波領域（30 GHz）から光学領域まで拡張され、強力なレーザーの利用によりより高速な励起時間（ラビ周波数）が可能になります。実際、この方向に関してはすでに有望な暫定結果が得られています。」

同チームはまた、量子情報処理やシリコン内のドーパントを用いたコンピューティングの文脈でドーパントのペアを使用する方法も模索している。

この研究の詳細は、 自然物理学.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/