Szybko wymieniające się fotony tworzą wysokiej jakości bramę kwantową – Świat Fizyki

Komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować naukę, ale bity kwantowe (kubity), na których działają, są delikatne. Możliwość szybkiego manipulowania tymi kubitami, zanim interakcje z ich otoczeniem spowodują rozpad zawartej w nich informacji kwantowej, ma zatem kluczowe znaczenie dla obliczeń kwantowych.

Obiecującym sposobem przechowywania bitu kwantowego jest zakodowanie go w dyskretnych poziomach energii światła w rezonatorze kwantowym, takim jak wnęka nadprzewodząca. Manipulowanie wieloma takimi wnękami może jednak stanowić wyzwanie ze względu na fałszywe interakcje lub dodatkowe kanały błędów, które wpływają na przechowywaną informację kwantową. Naukowcy z Instytut Kwantowy Yale w USA znaleźli obecnie częściowe rozwiązanie tego problemu poprzez zaprojektowanie systemu, który szybko przekazuje fotony z jednej wnęki do drugiej, nie uszkadzając stanów kwantowych fotonów. Wynik ten stanowi istotny krok w kierunku szybkich i wysokiej jakości bramek kwantowych dla komputerów kwantowych opartych na rezonatorach.

Inżynieria interakcji rozdzielacza wiązki przy użyciu ŚLIMAKA

W badaniu, które zostało opublikowane w kwantowa PRX, naukowcy w Laboratorium Roberta Schoelkopfa w Yale wykorzystali element sprzęgający zwany SNAIL (nadprzewodzący nieliniowy asymetryczny element indukcyjny), aby pośredniczyć w interakcji zamiany między dwiema nadprzewodzącymi wnękami mikrofalowymi. Dostrajając ŚLIMAKA za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, stłumiono fałszywe interakcje między dwiema wnękami, pozostawiając jedynie tzw.rozdzielacz wiązki” interakcja. Podobnie do optyki liniowej, w której wiązkę światła można podzielić na dwie części za pomocą (na przykład) półprzezroczystego lustra, interakcja ta umożliwia obu wnękom wymianę wzbudzeń w stosunku 50:50 przez określony czas interakcji.

Aby to zademonstrować, naukowcy zainicjowali jeden rezonator pojedynczym fotonem, pozostawiając drugi rezonator w próżni. Kiedy dostroili sprzęgacz SNAIL do optymalnego trybu pracy, zaobserwowali, że dwie wnęki zamieniają fotony między sobą 500 razy, zanim system ulegnie dekoherencji (to znaczy utracił swoją kwantową naturę z powodu resztkowych interakcji z otoczeniem) z czasem tylko 250 nanosekund na wymianę.

Jednym z celów badaczy była szybka wymiana fotonów przez rezonatory, gdy sprzężenie jest włączone, przy jednoczesnym zapewnieniu, że wnęki nie będą oddziaływać na siebie, gdy interakcja zostanie wyłączona, co pozwoli uniknąć szkodliwego wpływu na przechowywaną informację kwantową. W tym celu badacze zmierzyli szybkość, z jaką fotony są zamieniane w stosunku do najbardziej widocznych interakcji między okresami nieoddziałującymi. Ustalili, że wartość tego stosunku włączenia-wyłączenia przekracza 10⁵, wskazując minimalne niepożądane interakcje powodowane przez element sprzęgający.

„Sprzęgacz SNAIL przedstawiony w tej pracy umożliwia szybką interakcję rozdzielacza wiązki między kubitami zakodowanymi w sąsiednich wnękach, jednocześnie tłumiąc zarówno interakcje, które mogłyby pogorszyć spójność kubitów, jak i te, które indukują niepożądane sprzężenia między kubitami” – wyjaśnia Stijn de Graaf, specjalista ds. Doktorantka Yale i jedna z autorek badania. Dodaje, że oba efekty „ostatecznie ograniczyły poprzednie podejścia”.

Kontrolowana zamiana fotonów za pomocą kubitu

W ramach pierwszego zastosowania nowej konfiguracji badacze wdrożyli operację zamiany dwóch wnęk, którymi można sterować za pomocą kubitu podłączonego do jednego z rezonatorów. Jeśli ten kubit kontrolny jest w stanie podstawowym, żadne fotony pomiędzy dwiema wnękami nie zamieniają się, ale jeśli kubit kontrolny jest wzbudzony, stany we wnękach zamieniają się miejscami.

Ta tak zwana operacja kontrolowanej wymiany jest kluczową bramką do kwantowych implementacji kwantowej pamięci o dostępie swobodnym (QRAM) i wielu algorytmów kwantowych. Przygotowując kubit kontrolny w równej superpozycji pomiędzy jego dwoma poziomami energii, zespół stworzył również stan Bella – stan maksymalnie splątany w dwóch wnękach, który można utworzyć z równej superpozycji zamienionych i niezmienionych stanów w wnękach.

Zastosowanie do kubitów dwuszynowych

Naukowcy mają nadzieję, że inni wykorzystają swoje odkrycia do zaprojektowania rodzin wykrywalnych błędów bramek na kubitach zakodowanych w poziomach energii rezonatorów kwantowych. Te tzw kody bozonowe wykazują ogromny potencjał wdrożenia wydajnej sprzętowo korekcji błędów kwantowych, co ma kluczowe znaczenie dla rozwoju wielkoskalowych komputerów kwantowych.

Rezonatory krzemowe przechodzą test Bella na splątanie kwantowe

De Graaf twierdzi, że zespół skupi się przede wszystkim na wykorzystaniu posiadanego narzędzia do wdrożenia jednego z kluczowych elementów nowo proponowanego rozwiązania nadprzewodzący kubit z podwójną szyną. Ten typ kubitu wykorzystuje jako stany logiczne pojedynczy foton przechowywany w jednej z dwóch wnęk mikrofalowych i umożliwia wykrywanie i oznaczanie określonych błędów. Błąd można następnie obsłużyć później w obliczeniach kwantowych. Jeśli błędy można wykryć z bardzo dużą wydajnością, możliwe byłoby skalowalne obliczenia kwantowe bez potrzeby aktywnej korekcji błędów. Przedstawiona w tej pracy szybka interakcja rozdzielacza wiązki jest zatem niezbędnym elementem do wykrywania utraty pojedynczych fotonów w kubicie z podwójną szyną, co jest obecnie najważniejszym źródłem błędów na tej platformie sprzętowej.

Dotarcie tam będzie jednak wymagało pewnych ulepszeń technicznych. „Nie ma wątpliwości, że będziemy chcieli w dalszym ciągu zwiększać wierność wszystkich operacji w ramach tego programu” – mówi de Graaf. „Umożliwi to poziom błędów możliwie znacznie poniżej progów korekcji błędów kwantowych, a tym samym pozwoli nam radykalnie zmniejszyć liczbę kubitów wymaganych dla odpornego na uszkodzenia komputera kwantowego”.

• 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. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• ChartPrime. Podnieś poziom swojej gry handlowej dzięki ChartPrime. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/rapidly-swapping-photons-make-a-high-quality-quantum-gate/