Nov kubit s superprevodno votlino premika meje kvantne koherence – Physics World

Skozi zgodovino kvantnega računalništva se je koherentni čas superprevodnih kubitov – to je čas, v katerem obdržijo svoje kvantne informacije – drastično izboljšal. Ena večjih izboljšav izhaja iz namestitve superprevodnih kubitov v tridimenzionalne mikrovalovne resonatorske votline, ki ohranjajo stanje kubita tako, da ga kodirajo v fotone, shranjene v votlini.

V nedavni študiji so raziskovalci iz izraelskega Weizmannovega inštituta za znanost premaknili meje te metode s prikazom nove tridimenzionalne votline qubit s časom koherence enega fotona 34 milisekund (ms). Dolg koherenčni čas je ključnega pomena za doseganje operacij kubitov z nizko stopnjo napak (s čimer se zmanjša strojna oprema, potrebna za toleranco napak), novi koherenčni čas pa poruši prejšnji rekord za več kot red velikosti.

Qubiti so zelo občutljivi na svoje okolje in zlahka izgubijo informacije zaradi hrupa. Da bi ohranili stanja kubitov dlje časa, so se raziskovalci obrnili na mikrovalovne resonatorske votline kot obliko naprave za shranjevanje. Kot pove njihovo ime, so te votline tridimenzionalne strukture, ki obsegajo votel prostor, zasnovan tako, da sprejme superprevodni transmon qubit čip in mikrovalovne fotone, ki delujejo z njim. S postopkom kodiranja, ki vključuje uporabo specifičnih mikrovalovnih impulzov, se stanje kubita prenese v stanje votline in tam shrani. Ko mine želeno obdobje, se stanje pridobi tako, da se kodira nazaj v transmon. Votlina ima tako ključno vlogo pri nadzoru in merjenju kubita, ki je nameščen v njej.

Za praktično uporabo v kvantni obdelavi informacij mora biti votlina sposobna shranjevati kvantno stanje za daljša obdobja. Vendar pa zaradi različnih zunanjih dejavnikov to ni enostavno doseči. Ker so fotoni najmanjši delci svetlobe, jih je težko omejiti in se zlahka izgubijo. Motnje v čipu qubit, nameščenem znotraj votline, so pomembni viri dušenja fotonov in dekoherence. Tvorba neželene oksidne plasti na površini votline dodatno skrajša življenjsko dobo fotona.

Inženiring nove zasnove votline

Voden z Serge Rosenblum, Fabien Lafont, Ofir Milul, Barkay Guttel, Uri Goldblatt in Nitzan Kahn, Weizmannova skupina premagal te izzive z oblikovanjem superprevodne niobijeve votline z majhnimi izgubami, ki podpira dolgoživ enofotonski kubit. Uporabili so zelo čist niobij za izdelavo dveh ločenih delov votline in kasneje zvarili dele skupaj, da bi preprečili uhajanje fotonov. Odstranili so tudi oksid in površinske onesnaževalce s kemičnim poliranjem votline.

Nastala struktura je nekoliko podobna odprtemu dežniku, s polelipsasto geometrijo, ki se razvije v ozek valovod, kjer bi bil ročaj dežnika. Tako kot antena satelitskega krožnika, ki ima ukrivljeno površino, ki odbija radijske valove proti svojemu žarišču, eliptična struktura votline koncentrira elektromagnetno polje v središču ravne površine druge polovice votline (glej sliko).

<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="Postavitev votline Levo: diagram transmonskega čipa ekipe, vstavljenega v ozek valovod in delno štrlečega v pol-eliptično superprevodno votlino. Desno: fotografija dveh polovic votline pred montažo. (Z dovoljenjem: Milul et al., "Superconducting Cavity Qubit with Tens of Milliseconds Single-Photon Coherence Time", PRX Quantum 4 030336 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.030336; Serge Rosenblum)” title=”Kliknite, da odprete sliko v pojavnem oknu” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of -quantum-coherence-physics-world.png”>

Ko je ekipa pripravila votlino, je bil "največji izziv integrirati superprevodni transmonski kubit v votlino, ne da bi zmanjšali življenjsko dobo fotonov v votlini", pravi Rosenblum. "To nas popelje nazaj k zloglasnemu ravnotežju v kvantnih sistemih med nadzorovanostjo na eni strani in izolacijo na drugi."

Raziskovalci so to ravnovesje dosegli tako, da so v eliptično votlino postavili le približno 1 milimeter transmonskega čipa, medtem ko je ostalo nameščeno v valovodu. Ta konfiguracija zmanjša izgube, ki jih povzročajo čipi. Omejena izpostavljenost votline čipu pa oslabi interakcijo med votlino in transmonom, zato so raziskovalci to kompenzirali z uporabo močnih mikrovalovnih impulzov za kodiranje stanja kubita v votlini.

Izkoriščanje votline za kvantni spomin in kvantno popravljanje napak

Zahvaljujoč tej inovativni zasnovi votline so raziskovalci dosegli življenjsko dobo enega fotona 25 ms in koherenčni čas 34 ms. To je precejšnja izboljšava v primerjavi s prejšnjo najsodobnejšo votlino, ki je imela koherentni čas približno 2 ms.

Rosenblum in sodelavci so tudi prikazali metodo odpravljanja napak, znano kot bozonska kvantna korekcija napak, pri kateri so informacije o kubitu redundantno shranjene v več fotonih, ki zasedajo votlino (tako imenovana stanja Schrödingerjeve mačke). To ohranja krhko stanje kubita tako, da ga shrani v veliko fotonov votline, ne le v nekaj. Pomanjkljivost je, da se z večanjem števila shranjenih fotonov povečuje tudi stopnja izgube fotonov. Kljub tej omejitvi je Weizmannova ekipa dosegla Schrodingerjeva mačja stanja z velikostjo 1024 fotonov. To ustreza povprečnemu številu 256 fotonov, kar je 10-krat večje od prejšnjih demonstracij – izjemen napredek, ki bi lahko izboljšal učinkovitost bozonske kvantne korekcije napak.

Z življenjsko dobo fotona, ki je za štiri velikostne rede daljša od časa, potrebnega za delovanje vrat, ta preboj zagotavlja dovolj časa za nadzor kubita, preden izgubi informacije. Če pogledamo naprej, Rosenblum pravi, da je cilj ekipe uresničiti kvantne operacije na teh votlinah z zvestobo brez primere ali verjetnostjo uspeha. Predvsem omenja, da po objavi študije v PRX kvantna, je ekipa več kot podvojila življenjsko dobo enega fotona na 60 ms, kar kaže na pomemben potencial za nadaljnji napredek.

• 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/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/