Долгоживущие кубиты выживают как «островки» в шумной среде

Продолжительность времени, в течение которого квантовые биты (кубиты) сохраняют свою квантовую природу, имеет решающее значение для квантовых вычислений, поскольку определяет количество и сложность вычислений, которые они могут выполнить. На протяжении десятилетий общепринятым мнением было то, что увеличение так называемого времени когерентности означает защиту кубитов друг от друга и от внешних возмущений. Однако теперь исследователи из швейцарского Института Пауля Шеррера, ETH Zurich и EPF Lausanne перевернули эту идею с ног на голову, показав, что некоторые кубиты могут сохраняться в течение более длительных периодов времени в шумной среде.

Подобно классическим компьютерам, хранящим информацию в битах со значениями 0 или 1, квантовые вычисления опираются на системы, существующие в двух возможных состояниях. Разница в том, что кубиты также могут находиться в суперпозиции этих двух состояний. Именно эта неоднозначность позволяет им выполнять определенные вычисления гораздо быстрее, чем классические машины, но квантовые состояния хрупкие и имеют тенденцию к декогеренции – то есть они возвращаются к поведению классических 0 и 1, теряя свою драгоценную квантовую информацию.

В последней работе исследователи под руководством ученого-фотоника Габриэль Эппли исследовали твердотельные кубиты, изготовленные из ионов тербия, легированных в кристаллы фторида лития иттрия (YLiF₄). Эти ионы обладают двумя низколежащими квантовыми уровнями с разницей энергий в частотной области связи 5G, и именно эти системы с двумя состояниями исследователи использовали в качестве своих кубитов. Они обнаружили, что, хотя большинство кубитов испытывают только среднее время когерентности, несколько кубитов, которые образуются в парах ионов тербия, расположенных близко друг к другу, оказываются «исключительно когерентными».

Острые, отчетливые пики

Исследователи наблюдали эти необычно когерентные кубиты с помощью микроволновой спектроскопии и зондов спинового эха, которые обычно используются для измерения времени когерентности. Они обнаружили очень острые и отчетливые пики в своих измерениях эха, что соответствует гораздо более длительному времени когерентности (в некоторых случаях в 100 раз больше) для кубитов спаренных ионов, чем для кубитов, расположенных на средних расстояниях от своих соседей. Команда объясняет такое длительное время когерентности тем, что спаренные ионы не могут обмениваться энергией с соседними одиночными ионами и, следовательно, не возмущаются взаимодействием с ними.

«Целью этого исследования было доказать, что можно генерировать квантовые когерентные суперпозиции уровней кристаллического поля (различных низкоэнергетических организаций электронов на редкоземельных ионах) даже при довольно высоких концентрациях ионов», — объясняет участник команды Маркус Мюллер. «Поначалу было совершенно неясно, сможем ли мы увидеть какую-либо когерентность в такой шумной среде, и это было неожиданным открытием, что когерентность была крайне неоднородной среди легированных объектов и что «островки» высокой когерентности могут выживать."

Это открытие может помочь в разработке архитектур квантовых вычислений, добавляет он, особенно для схем, в которых кубиты случайным образом имплантируются в матрицу-хозяин. Другие потенциальные применения включают использование кубитов в качестве квантовых датчиков магнитной динамики в их среде. Это могло бы, например, позволить исследователям изучить скорость спиновой диффузии в случайных диполярно связанных системах при изучении локализации многих тел и роль, которую диполярные взаимодействия играют в ее ухудшении.

Оптимизация чувствительности пары кубитов

Заглядывая в будущее, исследователи стремятся оптимизировать чувствительность своих парных кубитов и воссоздать квантовые суперпозиции локальных электроядерных состояний в материалах-хозяевах, свободных от ядерного спина. Удаление ядерного спина сведет к минимуму нежелательные источники магнитного шума, которые в YLiF₄ возникают в первую очередь из-за спина атомов фтора.

Заряд кубитов увеличился в тысячу раз

«Мы также попытаемся достичь подобных когерентных суперпозиций ионных состояний с разными угловыми моментами», — говорит Мюллер. «Они расширят диапазон частот возбуждения от микроволнового диапазона (30 ГГц), который мы сейчас используем, до оптического диапазона, где наличие мощных лазеров позволяет сократить время возбуждения (частоты Раби). Действительно, мы уже получили многообещающие предварительные результаты в этом направлении».

Команда также изучает способы использования пар примесей в контексте квантовой обработки информации или вычислений с примесями в кремнии.

Исследование подробно описано в Физика природы.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/