Довгоживучі кубіти виживають як «острівці» в шумному середовищі – Physics World

Тривалість часу, протягом якого квантові біти (кубіти) зберігають свою квантову природу, має вирішальне значення для квантових обчислень, оскільки це визначає кількість і складність обчислень, які вони можуть виконувати. Протягом десятиліть загальноприйнятою думкою було те, що збільшення цього так званого часу когерентності означає захист кубітів один від одного та від зовнішніх збурень. Однак тепер дослідники зі швейцарського Інституту Пауля Шеррера, ETH Zurich і EPF Lausanne перевернули цю ідею з ніг на голову, показавши, що деякі кубіти можуть виживати довше в шумному середовищі.

Подібно до класичних комп’ютерів, які зберігають інформацію в бітах зі значеннями 0 або 1, квантові обчислення спираються на системи, які існують у двох можливих станах. Різниця полягає в тому, що кубіти також можуть перебувати в суперпозиції цих двох станів. Саме ця неоднозначність дозволяє їм виконувати певні обчислення набагато швидше, ніж класичні машини, але квантові стани крихкі та мають тенденцію до декогерентності, тобто вони повертаються до класичних нулів та одиниць, втрачаючи свою дорогоцінну квантову інформацію.

В останній роботі дослідники під керівництвом фотоніка Габріель Епплі вивчав твердотільні кубіти, виготовлені з іонів тербію, легованих у кристали фториду літію ітрію (YLiF₄). Ці іони мають два низько розташовані квантові рівні з різницею в енергії в частотній області зв’язку 5G, і саме ці системи з двома станами дослідники використовували як свої кубіти. Вони виявили, що хоча більшість кубітів мають лише середній час когерентності, кілька кубітів, які утворюються в парах іонів тербію, розташованих близько один до одного, виявляються «виключно когерентними».

Гострі, чіткі піки

Дослідники спостерігали ці надзвичайно когерентні кубіти за допомогою мікрохвильової спектроскопії та зондів спінової луни, які зазвичай використовуються для вимірювання часу когерентності. Вони виявили дуже гострі, чіткі піки в своїх вимірюваннях відлуння, що відповідає набагато більшому часу когерентності (у 100 разів довшому в деяких випадках) для спарених іонних кубітів, ніж для кубітів, розташованих на середній відстані від своїх сусідів. Команда пояснює цей тривалий час когерентності тим, що спарені іони не можуть обмінюватися енергією з сусідніми окремими іонами, і тому їх взаємодія не заважає.

«Мета цього дослідження полягала в тому, щоб довести, що можна генерувати квантові когерентні суперпозиції рівнів кристалічного поля (різні низькоенергетичні організації електронів на іонах рідкоземельних елементів) навіть при досить високих концентраціях іонів», — пояснює член команди Маркус Мюллер. «Спочатку було зовсім незрозуміло, чи зможемо ми побачити будь-яку когерентність у такому галасливому середовищі, і це було непередбачене відкриття, що когерентність була дуже неоднорідною серед легованих об’єктів і що «острівці» високої когерентності можуть вижити».

Він додає, що це відкриття може стати основою для розробки архітектур квантових обчислень, особливо для схем, у яких кубіти випадковим чином імплантуються в головну матрицю. Інші потенційні застосування включають використання кубітів як квантових датчиків для магнітної динаміки в їхньому середовищі. Це може, наприклад, дозволити дослідникам досліджувати швидкість спінової дифузії у випадкових диполярно зв’язаних системах у дослідженнях локалізації багатьох тіл і ролі, яку диполярні взаємодії відіграють у її погіршенні.

Оптимізація чутливості парних кубітів

Заглядаючи вперед, дослідники прагнуть оптимізувати чутливість своїх парних кубітів і відтворити квантові суперпозиції локальних електроядерних станів у матеріалах-господарях, які не мають ядерного обертання. Усунення ядерного обертання зведе до мінімуму небажані джерела магнітного шуму, який є в YLiF₄ виникають в основному внаслідок обертання атомів фтору.

Зарядні кубіти отримують тисячократний приріст

«Ми також спробуємо досягти подібних когерентних суперпозицій іонних станів з різним кутовим моментом», — розповідає Мюллер. «Це розширить діапазон частот збудження від мікрохвильової області (30 ГГц), яку ми зараз використовуємо, до оптичного діапазону, де наявність потужних лазерів дозволяє скоротити час збудження (частоти Рабі). Дійсно, ми вже отримали обнадійливі попередні результати в цьому напрямку».

Команда також досліджує способи використання пар легуючих добавок у контексті квантової обробки інформації або обчислень із легуючими добавками в кремнії.

Дослідження детально описано в Фізика природи.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/