Nowatorski kubit wnękowy nadprzewodzącej przesuwa granice spójności kwantowej – Świat Fizyki

W historii obliczeń kwantowych czas koherencji nadprzewodzących kubitów – czyli czas, w którym zachowują one informację kwantową – drastycznie się poprawił. Jedno z głównych usprawnień polega na umieszczeniu nadprzewodzących kubitów w trójwymiarowych wnękach rezonatora mikrofalowego, które zachowują stan kubitu poprzez kodowanie go w fotonach przechowywanych we wnęce.

W niedawnym badaniu naukowcy z izraelskiego Instytutu Naukowego Weizmanna przesunęli granice tej metody, demonstrując nowatorską trójwymiarową konfigurację kubitów wnękowych z czasem koherencji pojedynczego fotonu wynoszącym 34 milisekundy (ms). Długi czas koherencji jest kluczem do osiągnięcia operacji kubitowych o niskim poziomie błędów (redukując w ten sposób sprzęt wymagany do odporności na uszkodzenia), a nowy czas koherencji bije poprzedni rekord o ponad rząd wielkości.

Kubity są bardzo wrażliwe na otoczenie i łatwo tracą informacje z powodu szumu. Aby dłużej zachować stany kubitów, badacze wykorzystali wnęki rezonatora mikrofalowego jako formę urządzenia magazynującego. Jak sama nazwa wskazuje, wnęki te są trójwymiarowymi strukturami obejmującymi pustą przestrzeń zaprojektowaną tak, aby pomieścić nadprzewodzący transmonowy chip kubitowy i fotony mikrofalowe, które z nim oddziałują. Poprzez proces kodowania obejmujący zastosowanie określonych impulsów mikrofalowych, stan kubitu jest przenoszony do stanu wnęki i tam przechowywany. Po upływie żądanego okresu stan jest odtwarzany poprzez ponowne zakodowanie go w transmonie. Wnęka odgrywa zatem kluczową rolę w kontrolowaniu i pomiarze umieszczonego w niej kubitu.

Do praktycznych zastosowań w przetwarzaniu informacji kwantowej wnęka musi być w stanie przechowywać stan kwantowy przez dłuższy czas. Jednak osiągnięcie tego nie jest proste ze względu na różne czynniki zewnętrzne. Ponieważ są to najmniejsze cząstki światła, fotony są trudne do ograniczenia i łatwo ulegają utracie. Zakłócenia w chipie kubitowym umieszczonym wewnątrz wnęki są znaczącym źródłem tłumienia i dekoherencji fotonów. Tworzenie się niepożądanej warstwy tlenku na powierzchni wnęki dodatkowo skraca czas życia fotonów.

Opracowanie nowatorskiego projektu wnęki

Prowadzone przez Serge Rosenblum, Fabiena Lafonta, Ofir Milul, Barkay Guttel, Uriego Goldblatta i Nitzana Kahna, Weizmanna zespół przezwyciężyli te wyzwania, projektując niskostratną wnękę nadprzewodzącą niobową, która obsługuje długożyciowy kubit jednofotonowy. Do wykonania dwóch oddzielnych części wnęki użyli bardzo czystego niobu, a następnie zespawali je ze sobą, aby zapobiec wyciekaniu fotonów. Usunęli także tlenki i zanieczyszczenia powierzchniowe poprzez chemiczne polerowanie ubytku.

Powstała struktura wygląda trochę jak otwarty parasol, z półeliptyczną geometrią, która ewoluuje w wąski falowód w miejscu rączki parasola. Podobnie jak antena satelitarna, która ma zakrzywioną powierzchnię odbijającą fale radiowe w kierunku ogniska, eliptyczna struktura wnęki koncentruje pole elektromagnetyczne w środku płaskiej powierzchni drugiej połowy wnęki (patrz zdjęcie).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence-physics-world.png" data-caption="Konfiguracja jamy Po lewej: schemat układu transmonowego zespołu umieszczonego wewnątrz wąskiego falowodu i częściowo wystającego do półeliptycznej wnęki nadprzewodzącej. Po prawej: zdjęcie dwóch połówek wnęki przed montażem. (Dzięki uprzejmości: Milul i in., „Superconducting Cavity Qubit with Tens of Millisekunds Single-Photon Coherence Time”, PRX Quantum 4 030336 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.030336; Serge Rosenblum)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of -quantum-coherence-physics-world.png”>

Kiedy zespół przygotował wnękę, „największym wyzwaniem było zintegrowanie nadprzewodzącego kubitu transmonowego we wnęce bez zmniejszania czasu życia fotonów we wnęce” – mówi Rosenblum. „To prowadzi nas z powrotem do niesławnego balansowania w układach kwantowych pomiędzy możliwością sterowania z jednej strony a izolacją z drugiej”.

Naukowcy osiągnęli tę równowagę, umieszczając tylko około 1 milimetra chipa transmonowego w eliptycznej wnęce, a resztę umieszczono w falowodzie. Taka konfiguracja minimalizuje straty spowodowane chipami. Ograniczona ekspozycja wnęki na chip osłabia jednak interakcję wnęki z transmonem, więc badacze skompensowali to, stosując silne impulsy mikrofalowe w celu zakodowania stanu kubitu we wnęce.

Wykorzystanie wnęki do pamięci kwantowej i korekcji błędów kwantowych

Dzięki tej innowacyjnej konstrukcji wnęki badacze osiągnęli czas życia pojedynczego fotonu wynoszący 25 ms i czas koherencji 34 ms. Stanowi to znaczną poprawę w porównaniu z poprzednią, najnowocześniejszą wnęką, która charakteryzowała się czasem koherencji wynoszącym około 2 ms.

Rosenblum i współpracownicy zademonstrowali także metodę korekcji błędów znaną jako bozonowa korekcja błędu kwantowego, w ramach której informacje o kubicie są redundantnie przechowywane w wielu fotonach zajmujących wnękę (tzw. stany kota Schrödingera). Zachowuje to delikatny stan kubitu, przechowując go w wielu fotonach wnękowych, a nie tylko w kilku. Wadą jest to, że wraz ze wzrostem liczby zmagazynowanych fotonów rośnie współczynnik utraty fotonów. Pomimo tego ograniczenia zespół Weizmanna osiągnął stany kota Schrodingera o wielkości 1024 fotonów. Odpowiada to średniej liczbie 256 fotonów, czyli 10 razy większej niż w poprzednich demonstracjach – co stanowi niezwykły postęp, który może poprawić wydajność korekcji bozonowych błędów kwantowych.

Przy czasie życia fotonów o cztery rzędy wielkości dłuższym niż czas wymagany do operacji bramki, ten przełom zapewnia wystarczająco dużo czasu na kontrolowanie kubitu, zanim utraci on informacje. Patrząc w przyszłość, Rosenblum twierdzi, że celem zespołu jest przeprowadzenie operacji kwantowych na tych wnękach z niespotykaną dotąd wiernością lub prawdopodobieństwem sukcesu. Warto zauważyć, że wspomina, że ​​po opublikowaniu badania w kwantowa PRXzespołowi udało się ponad dwukrotnie wydłużyć czas życia pojedynczego fotonu do 60 ms, co wskazuje na znaczny potencjał dalszych postępów.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/