시끄러운 환경에서 수명이 긴 큐비트는 '섬'으로 생존 - Physics World

시끄러운 환경에서도 수명이 긴 큐비트가 '섬'으로 살아남는다 - Physics World

타임 스탬프 : 5 년 2024 월 4 일 오전 30:XNUMX

깨진 금속 조각의 지저분한 배경에 빛나는 보호 구체로 둘러싸인 회전 화살표가 있는 점으로 표현된 테르븀 이온 쌍을 보여주는 이미지
신경 쓰지 않음: 밀도가 높은 시스템 내에서 일부 테르븀 이온은 근처의 단일 테르븀 이온과 상호 작용할 수 없는 쌍 상태를 형성합니다. 지저분한 환경으로부터 보호되어 놀라울 정도로 긴 일관성 수명을 가진 큐비트 역할을 할 수 있습니다. (제공: 엘라 마루 스튜디오)

양자 비트(큐비트)가 양자 특성을 유지하는 시간은 수행할 수 있는 계산의 수와 복잡성을 결정하기 때문에 양자 컴퓨팅에 매우 중요합니다. 수십 년 동안, 소위 일관성 시간을 늘리는 것은 큐비트를 서로 보호하고 외부 섭동으로부터 큐비트를 보호하는 것을 의미한다는 것이 일반적인 통념이었습니다. 그러나 이제 스위스의 Paul Scherrer Institute, ETH Zurich 및 EPF Lausanne의 연구원들은 일부 큐비트가 시끄러운 환경에서 더 오랜 기간 동안 생존할 수 있음을 보여줌으로써 이 아이디어를 뒤집었습니다.

0 또는 1의 값을 갖는 비트에 정보를 저장하는 기존 컴퓨터와 마찬가지로 양자 컴퓨팅은 두 가지 가능한 상태로 존재하는 시스템에 의존합니다. 차이점은 큐비트가 이 두 상태가 중첩될 수도 있다는 것입니다. 이러한 모호함 덕분에 기존 기계보다 훨씬 더 빠르게 특정 계산을 수행할 수 있지만 양자 상태는 취약하고 분리되는 경향이 있습니다. 즉, 고전적인 0과 1처럼 동작하여 귀중한 양자 정보를 잃게 됩니다.

최근 연구에서는 포토닉스 과학자가 이끄는 연구진이 가브리엘 아플리 이트륨 불화리튬(YLiF) 결정에 도핑된 테르븀 이온으로 만들어진 고체 큐비트를 연구했습니다.4). 이 이온은 5G 통신 주파수 영역에서 에너지 차이가 ​​있는 두 개의 낮은 양자 준위를 가지고 있으며, 연구원들이 큐비트로 사용한 것은 이러한 XNUMX상태 시스템입니다. 그들은 대부분의 큐비트가 평균 응집 시간만을 경험하는 반면, 서로 가깝게 위치한 테르븀 이온 쌍으로 형성되는 소수의 큐비트는 "매우 균일한" 것으로 판명되었습니다.

날카롭고 뚜렷한 피크

연구원들은 결맞음 시간을 측정하는 데 일상적으로 사용되는 마이크로파 분광법과 스핀 에코 프로브를 사용하여 이러한 비정상적으로 결맞는 큐비트를 관찰했습니다. 그들은 에코 측정에서 매우 날카롭고 뚜렷한 피크를 발견했는데, 이는 이웃으로부터 평균 거리에 위치한 큐비트보다 쌍이온 큐비트의 일관성 시간이 훨씬 더 길다는 것(어떤 경우에는 100배 더 길다)에 해당합니다. 팀은 쌍을 이룬 이온이 근처의 단일 이온과 에너지를 교환할 수 없으므로 이들과의 상호작용에 의해 교란되지 않는다는 점을 지적함으로써 이러한 긴 응집 시간을 설명합니다.

“이 연구의 목적은 다소 높은 농도의 이온에서도 결정장 수준(희토류 이온에 대한 전자의 다양한 저에너지 조직)의 양자 응집성 중첩을 생성하는 것이 가능하다는 것을 증명하는 것이었습니다.”라고 설명합니다. 팀 구성원 마르쿠스 뮐러. “처음에는 이렇게 시끄러운 환경에서 일관성을 볼 수 있을지 전혀 명확하지 않았으며, 도핑된 개체 간에 일관성이 매우 불균일하고 일관성이 높은 '섬'이 일관성을 보일 수 있다는 것은 예상치 못한 발견이었습니다. 생존하다."

이번 발견은 양자 컴퓨팅 아키텍처의 설계에 정보를 제공할 수 있다고 그는 덧붙입니다. 특히 큐비트가 호스트 매트릭스에 무작위로 이식되는 방식의 경우 더욱 그렇습니다. 다른 잠재적 응용 분야에는 큐비트를 환경의 자기 역학을 위한 양자 센서로 사용하는 것이 포함됩니다. 예를 들어, 이를 통해 연구자들은 다체 위치화 연구에서 무작위 쌍극 결합 시스템의 스핀 확산 속도와 양극 상호 작용이 이를 저하시키는 역할을 조사할 수 있습니다.

쌍 큐비트의 감도 최적화

앞으로 연구원들은 쌍 큐비트의 감도를 최적화하고 핵 스핀이 없는 호스트 물질에서 국부적인 전기 핵 상태의 양자 중첩을 재현하는 것을 목표로 하고 있습니다. 핵 스핀을 제거하면 원치 않는 자기 잡음 소스가 최소화됩니다. YLiF4 주로 불소 원자의 스핀에서 발생합니다.

“우리는 또한 서로 다른 각운동량을 갖는 이온 상태의 유사하고 일관성 있는 중첩을 달성하려고 노력할 것입니다.”라고 Müller는 밝힙니다. “이것은 우리가 현재 사용하는 마이크로파 영역(30GHz)에서 강력한 레이저를 사용할 수 있어 더 빠른 여기 시간(Rabi 주파수)이 가능한 광학 범위로 여기 주파수 범위를 확장할 것입니다. 실제로 우리는 이미 이 방향에서 유망한 예비 결과를 얻었습니다.”

또한 팀은 양자 정보 처리 또는 실리콘의 도펀트를 사용한 컴퓨팅의 맥락에서 도펀트 쌍을 사용하는 방법을 탐색하고 있습니다.

이 연구는 자연 물리.

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