Długowieczne kubity przetrwają jako „wyspy” w hałaśliwym środowisku – Świat Fizyki

Czas, przez jaki bity kwantowe (kubity) zachowują swoją kwantową naturę, ma kluczowe znaczenie w obliczeniach kwantowych, ponieważ określa liczbę i złożoność obliczeń, jakie mogą wykonać. Przez dziesięciolecia panował pogląd, że wydłużenie tak zwanego czasu koherencji oznacza ochronę kubitów przed sobą nawzajem oraz przed zakłóceniami zewnętrznymi. Teraz jednak naukowcy ze szwajcarskiego Instytutu Paula Scherrera, ETH Zurich i EPF Lausanne wywrócili ten pomysł do góry nogami, pokazując, że niektóre kubity mogą przetrwać dłużej w hałaśliwym środowisku.

Podobnie jak klasyczne komputery przechowujące informacje w bitach o wartościach 0 lub 1, obliczenia kwantowe opierają się na systemach istniejących w dwóch możliwych stanach. Różnica polega na tym, że kubity mogą również znajdować się w superpozycji tych dwóch stanów. To właśnie ta niejednoznaczność umożliwia im wykonywanie pewnych obliczeń znacznie szybciej niż klasyczne maszyny, ale stany kwantowe są delikatne i mają tendencję do dekoherencji, co oznacza, że ​​powracają do zachowania klasycznych zer i jedynek, tracąc cenne informacje kwantowe.

W najnowszej pracy badacze pod kierunkiem fotoniki Gabriel Aappli badali kubity w stanie stałym wykonane z jonów terbu domieszkowanych w kryształach fluorku itru i litu (YLiF₄). Jony te posiadają dwa nisko położone poziomy kwantowe z różnicą energii w domenie częstotliwości komunikacji 5G i to właśnie te układy dwustanowe badacze wykorzystali jako swoje kubity. Odkryli, że chociaż większość kubitów doświadcza jedynie średnich czasów koherencji, garść kubitów tworzących się w parach jonów terbowych znajdujących się blisko siebie okazuje się „wyjątkowo spójna”.

Ostre, wyraźne szczyty

Naukowcy zaobserwowali te niezwykle spójne kubity za pomocą spektroskopii mikrofalowej i sond echa spinowego, które są rutynowo stosowane do pomiaru czasów koherencji. Odkryli bardzo ostre, wyraźne piki w pomiarach echa, odpowiadające znacznie dłuższym czasom koherencji (w niektórych przypadkach 100 razy dłuższym) dla kubitów ze sparowanymi jonami niż dla kubitów znajdujących się w średniej odległości od sąsiadów. Zespół wyjaśnia te długie czasy koherencji zauważając, że sparowane jony nie mogą wymieniać energii z pobliskimi pojedynczymi jonami, a zatem nie zakłócają ich interakcje z nimi.

„Celem tych badań było udowodnienie, że możliwe jest wygenerowanie spójnych kwantowo superpozycji poziomów pola krystalicznego (różnych niskoenergetycznych organizacji elektronów na jonach pierwiastków ziem rzadkich), nawet przy dość wysokich stężeniach jonów” – wyjaśnia członek zespołu Markus Mueller. „Na początku nie było wcale jasne, czy będziemy w stanie dostrzec jakąkolwiek spójność w tak hałaśliwym otoczeniu i nieoczekiwanym odkryciem było to, że spójność była wysoce niejednorodna wśród domieszkowanych jednostek i że „wyspy” o wysokiej koherencji mogą przetrwać."

Odkrycie może pomóc w projektowaniu architektur obliczeń kwantowych – dodaje – szczególnie w przypadku schematów, w których kubity są losowo wszczepiane do macierzy macierzystej. Inne potencjalne zastosowania obejmują wykorzystanie kubitów jako czujników kwantowych dynamiki magnetycznej w ich środowiskach. Może to na przykład umożliwić badaczom zbadanie prędkości dyfuzji spinu w przypadkowych, sprzężonych dipolarnych układach w badaniach lokalizacji wielu ciał oraz roli, jaką odgrywają interakcje dipolarne w jej degradacji.

Optymalizacja czułości pary kubitów

Wybiegając w przyszłość, badacze zamierzają zoptymalizować czułość par kubitów i odtworzyć kwantowe superpozycje lokalnych stanów elektrojądrowych w materiałach macierzystych wolnych od spinu jądrowego. Usunięcie spinu jądrowego zminimalizuje niepożądane źródła szumu magnetycznego, które w YLiF₄ powstają głównie w wyniku spinu atomów fluoru.

Kubity ładunkowe zyskują tysiąckrotne zwiększenie

„Będziemy się także starali uzyskać podobne, spójne superpozycje stanów jonowych o różnych momentach pędu” – ujawnia Müller. „Poszerzy to zakres częstotliwości wzbudzenia z obszaru mikrofal (30 GHz), którego obecnie używamy, na zakres optyczny, w którym dostępność silnych laserów pozwala na krótsze czasy wzbudzenia (częstotliwości Rabiego). Rzeczywiście uzyskaliśmy już obiecujące wstępne wyniki w tym kierunku.”

Zespół bada także sposoby wykorzystania par domieszek w kontekście kwantowego przetwarzania informacji lub obliczeń z użyciem domieszek w krzemie.

Badanie jest szczegółowo opisane w Fizyka przyrody.

• 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/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/