คิวบิตที่มีอายุยืนยาวอยู่รอดได้ในฐานะ 'เกาะ' ในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง – Physics World

คิวบิตที่มีอายุยืนยาวอยู่รอดได้ในฐานะ 'เกาะ' ในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง – Physics World

Time Stamp: 5 กุมภาพันธ์ 2024 4:30 น.

ภาพแสดงไอออนเทอร์เบียมคู่หนึ่งซึ่งแสดงเป็นจุดที่มีลูกศรหมุนล้อมรอบด้วยทรงกลมป้องกันที่เรืองแสง เทียบกับพื้นหลังยุ่งเหยิงของเศษโลหะที่แตกหัก
ไม่ต้องกังวล: ภายในระบบที่หนาแน่น เทอร์เบียมไอออนบางส่วนจะเกิดสถานะคู่กันซึ่งไม่สามารถโต้ตอบกับเทอร์เบียมไอออนเดี่ยวที่อยู่ใกล้เคียงได้ ได้รับการปกป้องจากสภาพแวดล้อมที่ยุ่งเหยิง พวกมันสามารถทำหน้าที่เป็นคิวบิตซึ่งมีอายุการใช้งานที่เชื่อมโยงกันยาวนานอย่างน่าประหลาดใจ (เอื้อเฟื้อโดย: สตูดิโอ Ella Maru)

ระยะเวลาที่บิตควอนตัม (qubits) คงลักษณะควอนตัมไว้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการประมวลผลควอนตัม เนื่องจากจะเป็นตัวกำหนดจำนวนและความซับซ้อนของการคำนวณที่บิตควอนตัมสามารถทำได้ เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ภูมิปัญญาดั้งเดิมกล่าวไว้ว่าการเพิ่มเวลาที่เรียกว่าการเชื่อมโยงกันหมายถึงการปกป้องคิวบิตจากกันและกันและจากการรบกวนจากภายนอก อย่างไรก็ตาม ขณะนี้ นักวิจัยจากสถาบัน Paul Scherrer ของสวิตเซอร์แลนด์, ETH Zurich และ EPF Lausanne ได้เปลี่ยนแนวคิดนี้ด้วยการแสดงให้เห็นว่า คิวบิตบางตัวสามารถอยู่รอดได้เป็นระยะเวลานานในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง

เช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์คลาสสิกที่จัดเก็บข้อมูลเป็นบิตที่มีค่า 0 หรือ 1 การคำนวณควอนตัมอาศัยระบบที่มีอยู่ในสองสถานะที่เป็นไปได้ ข้อแตกต่างก็คือ qubit สามารถอยู่ในสถานะซ้อนทับของทั้งสองสถานะได้ ความคลุมเครือนี้เองที่ทำให้พวกเขาสามารถคำนวณบางอย่างได้เร็วกว่าเครื่องจักรแบบดั้งเดิมมาก แต่สถานะควอนตัมมีความเปราะบางและมีแนวโน้มที่จะแยกส่วน ซึ่งหมายความว่าสถานะเหล่านั้นกลับไปมีพฤติกรรมเหมือนเลข 0 และ 1 แบบคลาสสิก ทำให้สูญเสียข้อมูลควอนตัมอันมีค่าไป

ในงานล่าสุด นักวิจัยนำโดยนักวิทยาศาสตร์โฟโตนิกส์ กาเบรียล เอปปลี ศึกษาคิวบิตโซลิดสเตตที่ทำจากเทอร์เบียมไอออนที่เจือลงในผลึกของอิตเทรียมลิเธียมฟลูออไรด์ (YLiF4). ไอออนเหล่านี้มีระดับควอนตัมต่ำสองระดับโดยมีความแตกต่างด้านพลังงานในโดเมนความถี่การสื่อสาร 5G และเป็นระบบสองสถานะที่นักวิจัยใช้เป็นคิวบิต พวกเขาพบว่าในขณะที่คิวบิตส่วนใหญ่มีประสบการณ์ในการเชื่อมโยงกันโดยเฉลี่ยเท่านั้น แต่คิวบิตจำนวนหนึ่งที่ก่อตัวเป็นเทอร์เบียมไอออนคู่ที่อยู่ใกล้กัน กลับกลายเป็นว่า "มีความเชื่อมโยงกันอย่างประณีต"

ยอดเขาที่คมชัดและโดดเด่น

นักวิจัยได้สังเกตเห็นคิวบิตที่มีความสอดคล้องกันอย่างผิดปกติเหล่านี้โดยใช้ไมโครเวฟสเปกโทรสโกปีและโพรบสปินเอคโค่ ซึ่งมักใช้ในการวัดเวลาการเชื่อมโยงกัน พวกเขาพบจุดสูงสุดที่คมชัดและชัดเจนมากในการวัดเสียงก้อง ซึ่งสอดคล้องกับเวลาในการเชื่อมโยงกันนานกว่ามาก (ในบางกรณีนานกว่า 100 เท่า) สำหรับคิวบิตไอออนคู่ มากกว่าคิวบิตที่อยู่ในระยะทางเฉลี่ยจากเพื่อนบ้าน ทีมงานอธิบายช่วงเวลาที่เชื่อมโยงกันยาวนานโดยสังเกตว่าไอออนที่จับคู่กันไม่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานกับไอออนเดี่ยวที่อยู่ใกล้เคียงได้ และด้วยเหตุนี้จึงไม่รบกวนปฏิสัมพันธ์กับไอออนเหล่านั้น

“จุดประสงค์ของการวิจัยนี้คือเพื่อพิสูจน์ว่ามันเป็นไปได้ที่จะสร้างการทับซ้อนควอนตัมที่เชื่อมโยงกันของระดับสนามคริสตัล (องค์กรพลังงานต่ำที่แตกต่างกันของอิเล็กตรอนบนไอออนธาตุหายาก) แม้ว่าไอออนจะมีความเข้มข้นค่อนข้างสูงก็ตาม” อธิบาย สมาชิกในทีม มาร์คุส มุลเลอร์. “ในตอนแรก มันไม่ชัดเจนเลยว่าเราจะสามารถเห็นการเชื่อมโยงกันใดๆ ในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดังเช่นนี้ และเป็นการค้นพบที่ไม่คาดคิดว่าการเชื่อมโยงกันนั้นมีความไม่สม่ำเสมอสูงในหมู่สิ่งเจือปน และ 'เกาะ' ที่มีความเชื่อมโยงกันสูงสามารถ รอดชีวิต."

การค้นพบนี้สามารถแจ้งการออกแบบสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแผนการที่คิวบิตถูกฝังแบบสุ่มลงในเมทริกซ์โฮสต์ การใช้งานที่เป็นไปได้อื่นๆ ได้แก่ การใช้คิวบิตเป็นเซ็นเซอร์ควอนตัมสำหรับพลวัตแม่เหล็กในสภาพแวดล้อม ตัวอย่างเช่น สิ่งนี้อาจทำให้นักวิจัยสามารถตรวจสอบความเร็วของการแพร่กระจายของการหมุนในระบบไดโพลาร์คู่แบบสุ่มในการศึกษาเกี่ยวกับการแปลหลาย ๆ วัตถุ และบทบาทของปฏิกิริยาไดโพลาร์ในการย่อยสลายมัน

การปรับความไวของคู่คิวบิตให้เหมาะสม

เมื่อมองไปข้างหน้า นักวิจัยตั้งเป้าที่จะปรับความไวของคิวบิตคู่ให้เหมาะสม และสร้างการซ้อนทับควอนตัมของสถานะไฟฟ้านิวเคลียร์ในท้องถิ่นในวัสดุโฮสต์ที่ปราศจากการหมุนของนิวเคลียร์ การนำการหมุนของนิวเคลียสออกจะช่วยลดแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กที่ไม่ต้องการ ซึ่งอยู่ใน YLiF4 เกิดขึ้นจากการหมุนของอะตอมของฟลูออรีนเป็นหลัก

“เราจะพยายามบรรลุการซ้อนทับของสถานะไอออนที่มีโมเมนตัมเชิงมุมที่ต่างกันที่สอดคล้องกันเหมือนกัน” Müller เผย “สิ่งเหล่านี้จะขยายช่วงความถี่การกระตุ้นจากบริเวณไมโครเวฟ (30 GHz) ที่เราใช้อยู่ในปัจจุบันไปยังช่วงออปติคัล ซึ่งความพร้อมของเลเซอร์ที่มีกำลังแรงช่วยให้เวลาในการกระตุ้นเร็วขึ้น (ความถี่ Rabi) แน่นอนว่าเราได้รับผลลัพธ์เบื้องต้นที่น่าหวังในทิศทางนี้แล้ว”

ทีมงานยังสำรวจวิธีการใช้คู่ของสารเจือปนในบริบทของการประมวลผลข้อมูลควอนตัมหรือการคำนวณด้วยสารเจือปนในซิลิคอน

รายละเอียดการศึกษาอยู่ใน ฟิสิกส์ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์

ถามฉันอะไรก็ได้: Moiya McTier – 'ไม่มีอะไรน่าตื่นเต้นไปกว่าการยืนอยู่บนเวทีต่อหน้าฝูงชนที่เต็มไปด้วยคนที่อยากรู้อยากเห็น' – Physics World

คลัสเตอร์ต้นทาง:
โหนดต้นทาง: 1845903
ประทับเวลา: มิถุนายน 9, 2023