Långlivade qubits överlever som "öar" i en bullrig miljö – Physics World

Långlivade qubits överlever som "öar" i en bullrig miljö – Physics World

Tidsstämpel: 5 februari 2024 4:30

Bild som visar par av terbiumjoner representerade som prickar med spinnpilar omslutna av glödande skyddssfärer, mot en rörig bakgrund av trasiga metallbitar
Inte störd: Inom ett tätt system bildar vissa terbiumjoner parade tillstånd som inte kan interagera med enstaka terbiumjoner i närheten. Skyddade från sin röriga miljö kan de fungera som qubits med förvånansvärt långa koherenslivslängder. (Med tillstånd: Ella Maru Studio)

Den tid som kvantbitar (qubits) behåller sin kvantnatur är avgörande för kvantberäkning eftersom det bestämmer antalet och komplexiteten av beräkningar de kan utföra. I decennier har den konventionella visdomen varit att att öka denna så kallade koherenstid innebar att man skyddade qubits från varandra och från yttre störningar. Nu har dock forskare vid schweiziska Paul Scherrer Institute, ETH Zürich och EPF Lausanne vänt denna idé på huvudet genom att visa att vissa qubits kan överleva under längre perioder i en bullrig miljö.

Liksom klassiska datorer som lagrar information i bitar som har värden 0 eller 1, bygger kvantberäkning på system som finns i två möjliga tillstånd. Skillnaden är att qubits också kan vara i en superposition av dessa två tillstånd. Det är denna tvetydighet som gör det möjligt för dem att utföra vissa beräkningar mycket snabbare än klassiska maskiner, men kvanttillstånd är ömtåliga och tenderar att bryta samman – vilket innebär att de återgår till att bete sig som klassiska nollor och ettor och förlorar sin värdefulla kvantinformation.

I det senaste arbetet, forskare ledda av fotonik forskare Gabriel Aeppli studerade fasta qubits gjorda av terbiumjoner dopade till kristaller av yttriumlitiumfluorid (YLiF4). Dessa joner har två lågt liggande kvantnivåer med en energiskillnad i 5G-kommunikationsfrekvensdomänen, och det är dessa tvåtillståndssystem som forskarna använde som sina qubits. De fann att medan de flesta qubits endast upplever genomsnittliga koherenstider, visar sig den handfull qubits som bildas i par av terbiumjoner som ligger nära varandra vara "utsökt koherenta".

Skarpa, tydliga toppar

Forskarna observerade dessa ovanligt koherenta qubits med hjälp av mikrovågsspektroskopi och spinekosonder, som rutinmässigt används för att mäta koherenstider. De hittade mycket skarpa, distinkta toppar i sina ekomätningar, vilket motsvarar mycket längre koherenstider (100 gånger längre i vissa fall) för qubits med parjoner än för qubits som ligger på medelavstånd från sina grannar. Teamet förklarar dessa långa koherenstider genom att notera att de parade jonerna inte kan utbyta energi med närliggande enstaka joner och därför inte störs av interaktioner med dem.

"Syftet med den här forskningen var att bevisa att det är möjligt att generera kvantkoherenta superpositioner av kristallfältsnivåer (olika lågenergiorganisationer av elektronerna på joner av sällsynta jordartsmetaller), även vid ganska höga jonkoncentrationer", förklarar lagmedlem Markus Müller. "Först var det inte alls klart att vi skulle kunna se någon koherens i en så bullrig miljö och det var en oväntad upptäckt att koherensen var mycket ojämn bland de dopade enheterna och att "öar" med hög koherens kan överleva."

Upptäckten kan informera design av kvantberäkningsarkitekturer, tillägger han - särskilt för scheman där qubits implanteras slumpmässigt i en värdmatris. Andra potentiella tillämpningar inkluderar att använda qubits som kvantsensorer för magnetisk dynamik i deras miljöer. Detta kan till exempel göra det möjligt för forskare att undersöka hastigheten på spindiffusion i slumpmässiga, dipolärt kopplade system i studier av lokalisering av många kroppar och den roll som dipolära interaktioner spelar för att försämra den.

Optimera känsligheten för parets qubits

Ser fram emot, siktar forskarna på att optimera känsligheten hos deras par-qubits och att återskapa kvantöverlagringar av lokala elektro-nukleära tillstånd i värdmaterial som är fria från kärnspinn. Att ta bort kärnspinn kommer att minimera oönskade källor till magnetiskt brus, vilket i YLiF4 härrör i första hand från fluoratomernas spinn.

"Vi kommer också att försöka uppnå liknande koherenta superpositioner av jontillstånd med olika rörelsemängd", avslöjar Müller. "Dessa kommer att utöka området för excitationsfrekvenser från mikrovågsområdet (30 GHz) som vi för närvarande använder till det optiska området, där tillgången på starka lasrar möjliggör snabbare excitationstider (Rabi-frekvenser). Vi har faktiskt redan fått lovande preliminära resultat i denna riktning."

Teamet undersöker också sätt att använda par av dopämnen i samband med bearbetning av kvantinformation eller beräkning med dopämnen i kisel.

Studien är detaljerad i Naturfysik.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden