Dolgoživi kubiti preživijo kot 'otoki' v hrupnem okolju – Physics World

Čas, v katerem kvantni biti (kubiti) ohranijo svojo kvantno naravo, je ključnega pomena za kvantno računalništvo, ker določa število in kompleksnost izračunov, ki jih lahko izvedejo. Desetletja je bila konvencionalna modrost, da je povečanje tega tako imenovanega koherenčnega časa pomenilo zaščito kubitov drug pred drugim in pred zunanjimi motnjami. Zdaj pa so raziskovalci na švicarskem inštitutu Paul Scherrer, ETH Zurich in EPF Lausanne to zamisel obrnili na glavo, tako da so pokazali, da lahko nekateri kubiti preživijo dlje časa v hrupnem okolju.

Tako kot klasični računalniki, ki shranjujejo informacije v bitih z vrednostjo 0 ali 1, se kvantno računalništvo opira na sisteme, ki obstajajo v dveh možnih stanjih. Razlika je v tem, da so kubiti lahko tudi v superpoziciji teh dveh stanj. Prav ta dvoumnost jim omogoča, da izvajajo določene izračune veliko hitreje kot klasični stroji, vendar so kvantna stanja krhka in se nagibajo k dekohereciji – kar pomeni, da se začnejo obnašati kot klasične 0 in 1 ter izgubijo svoje dragocene kvantne informacije.

V zadnjem delu so raziskovalci pod vodstvom znanstvenika fotonike Gabriel Aeppli preučevali trdne kubite, izdelane iz terbijevih ionov, dopiranih v kristale itrijevega litijevega fluorida (YLiF₄). Ti ioni imajo dve nizko ležeči kvantni ravni z energijsko razliko v komunikacijski frekvenčni domeni 5G in prav te sisteme dveh stanj so raziskovalci uporabili kot svoje kubite. Ugotovili so, da medtem ko ima večina kubitov le povprečne koherenčne čase, se peščica kubitov, ki se tvorijo v parih terbijevih ionov, ki se nahajajo blizu skupaj, izkaže za "izjemno koherentne".

Ostri, izraziti vrhovi

Raziskovalci so opazovali te nenavadno koherentne kubite z uporabo mikrovalovne spektroskopije in sond za spinski odmev, ki se redno uporabljajo za merjenje koherentnih časov. Ugotovili so zelo ostre, izrazite vrhove v njihovih meritvah odmeva, ki ustrezajo veliko daljšim koherenčnim časom (100-krat daljšim v nekaterih primerih) za seznanjene ionske kubite kot za kubite, ki se nahajajo na povprečnih razdaljah od svojih sosedov. Ekipa pojasnjuje te dolge koherenčne čase z ugotovitvijo, da seznanjeni ioni ne morejo izmenjati energije z bližnjimi posameznimi ioni in jih zato interakcije z njimi ne motijo.

"Namen te raziskave je bil dokazati, da je mogoče ustvariti kvantne koherentne superpozicije nivojev kristalnega polja (različne nizkoenergijske organizacije elektronov na ionih redkih zemelj), tudi pri precej visokih koncentracijah ionov," pojasnjuje član ekipe Markus Mueller. »Sprva sploh ni bilo jasno, ali bomo lahko videli kakršno koli koherenco v tako hrupnem okolju, in nepričakovano je bilo odkritje, da je koherenca med dopiranimi entitetami zelo neenakomerna in da lahko 'otočki' visoke koherence preživeti."

Odkritje bi lahko vplivalo na oblikovanje arhitektur kvantnega računalništva, dodaja - zlasti za sheme, v katerih so kubiti naključno implantirani v matriko gostitelja. Druge možne aplikacije vključujejo uporabo kubitov kot kvantnih senzorjev za magnetno dinamiko v njihovih okoljih. To bi lahko na primer omogočilo raziskovalcem, da preizkusijo hitrost spinske difuzije v naključnih, dipolarno sklopljenih sistemih v študijah lokalizacije več teles in vloge, ki jo imajo dipolarne interakcije pri njeni degradaciji.

Optimiziranje občutljivosti parov kubitov

V prihodnosti nameravajo raziskovalci optimizirati občutljivost svojih parov kubitov in poustvariti kvantne superpozicije lokalnih elektro-jedrskih stanj v gostiteljskih materialih, ki so brez jedrskega vrtenja. Odstranitev jedrskega vrtenja bo zmanjšala neželene vire magnetnega hrupa, ki je v YLiF₄ izvirajo predvsem iz vrtenja atomov fluora.

Charge qubits dobijo tisočkratno povečanje

"Prav tako bomo poskušali doseči podobne koherentne superpozicije ionskih stanj z različnimi kotnimi momenti," razkriva Müller. »To bo razširilo obseg vzbujevalnih frekvenc iz mikrovalovnega območja (30 GHz), ki ga trenutno uporabljamo, v optično območje, kjer razpoložljivost močnih laserjev omogoča hitrejše vzbujanje (frekvence Rabi). Pravzaprav smo v tej smeri že dobili obetavne preliminarne rezultate.«

Ekipa tudi raziskuje načine uporabe parov dopantov v kontekstu kvantne obdelave informacij ali računalništva z dopanti v siliciju.

Študija je podrobno opisana v Naravna fizika.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/