Nový průlom Qubit by mohl způsobit revoluci v kvantových počítačích

Nová platforma qubit: Elektrony z horkého světelného vlákna (nahoře) přistávají na pevném neonu (červený blok), kde je jediný elektron (reprezentovaný jako vlnová funkce v modré barvě) zachycen a zpracován supravodivým kvantovým obvodem (vzorovaný plátek dole). Zdroj obrázku: Dafei Jin / Argonne National Laboratory

Nová platforma qubit by mohla transformovat kvantovou informační vědu a technologii.

Nepochybně si prohlížíte tento článek na digitálním zařízení, jehož základní jednotkou informace je bit, buď 0, nebo 1. Vědci z celého světa závodí ve vývoji nového typu počítače založeného na použití kvantových bitů neboli qubitů.

Ve výzkumné práci publikované v časopise dne 4. května 2022 temperamentní povaha, tým vedený Argonne National Laboratory amerického ministerstva energetiky (DOE) oznámil vytvoření nové platformy qubit, která se skládá ze zmrazení neonového plynu v pevné látce při extrémně nízkých teplotách, rozprašování elektronů z vlákna žárovky na pevnou látku, a zachytí tam jediný elektron. Tento systém má potenciál být vyvinut do ideálních stavebních bloků pro kvantové počítače budoucnosti.

„Vypadá to, že dokonalý qubit může být na obzoru. Díky relativní jednoduchosti elektronové platformy na neonu by měl být snadno vyrobitelný za nízkou cenu.“ Dafei Jin, argonový vědec z Centra pro nanomateriály

Pro užitečný kvantový počítač jsou požadavky na kvalitu qubitů velmi náročné. I když dnes existují různé formy qubitů, žádná z nich není optimální.

Co dělá dokonalý qubit? Podle Duffyho Janea, vědce z Argonne a hlavního řešitele projektu, má přinejmenším tři kvality libry.

Může zůstat v synchronizovaném stavu 0 a 1 (pamatujte na kočku!) po dlouhou dobu. Vědci tomu říkají dlouhá „soudržnost“. V ideálním případě by tento čas byl asi sekunda, což je časový krok, který můžeme vnímat na hodinách doma v každodenním životě.

Za druhé, qubity lze změnit z jednoho stavu do druhého během krátké doby. V ideálním případě by tento čas byl asi miliardtina sekundy (nanosekundy), což je časový krok klasických počítačových hodin.

Za třetí, qubity lze snadno propojit s mnoha dalšími qubity, takže mohou fungovat vzájemně paralelně. Vědci toto sdružení označují jako zapletení.

Ačkoli známé qubity nejsou v tuto chvíli dokonalé, společnosti jako IBM, Intel, Google, Honeywell a mnoho dalších startupů si vybraly své oblíbené. Agresivně usilují o technologické zlepšování a komercializaci.

„Naším ambiciózním cílem není soutěžit s těmito společnostmi, ale objevit a vybudovat zásadně nový systém qubit, který může vést k dokonalé platformě,“ řekl Jin.

I když existuje mnoho možností pro typy qubitů, tým si vybral tu nejjednodušší – jeden elektron. Zahřívání jednoduchého světelného vlákna, které můžete najít v dětské hračce, může snadno uvolnit neomezené množství elektronů.

Jednou z výzev pro jakýkoli qubit, včetně elektronu, je to, že je velmi citlivý na rušení ze svého okolí. Tým se tedy rozhodl zachytit elektron na povrchu vysoce čistého pevného neonu ve vakuu.

Neon je inertní prvek, který neinteraguje s jinými prvky. „Kvůli této inertnosti by pevný neon mohl být nejčistším pevným materiálem ve vakuu, který by hostil a chránil jakékoli qubity před narušením,“ řekl Jin.

Klíčovou součástí týmové platformy qubit je čipový mikrovlnný rezonátor vyrobený ze supravodiče. (Větší domácí mikrovlnná trouba je také mikrovlnným rezonátorem.) Supravodiče — kovy bez elektrického odporu — umožňují vzájemnou interakci elektronů a fotonů v blízkosti[{“ attribute=““>absolute zero with minimal loss of energy or information.

“The microwave resonator crucially provides a way to read out the state of the qubit,” said Kater Murch, physics professor at the Washington University in St. Louis and a senior co-author of the paper. “It concentrates the interaction between the qubit and microwave signal. This allows us to make measurements telling how well the qubit works.”

“With this platform, we achieved, for the first time ever, strong coupling between a single electron in a near-vacuum environment and a single microwave photon in the resonator,” said Xianjing Zhou, a postdoctoral appointee at Argonne and the first author of the paper. “This opens up the possibility to use microwave photons to control each electron qubit and link many of them in a quantum processor,” Zhou added.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years.” — David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper

The team tested the platform in a scientific instrument called a dilution refrigerator, which can reach temperatures as low as a mere 10 millidegrees above absolute zero. This instrument is one of many quantum capabilities in Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science user facility.

The team performed real-time operations to an electron qubit and characterized its quantum properties. These tests demonstrated that the solid neon provides a robust environment for the electron with very low electric noise to disturb it. Most importantly, the qubit attained coherence times in the quantum state competitive with state-of-the-art qubits.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years,” said David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper. “This is only our first series of experiments. Our qubit platform is nowhere near optimized. We will continue improving the coherence times. And because the operation speed of this qubit platform is extremely fast, only several nanoseconds, the promise to scale it up to many entangled qubits is significant.”

There is yet one more advantage to this remarkable qubit platform.“Thanks to the relative simplicity of the electron-on-neon platform, it should lend itself to easy manufacture at low cost,” Jin said. “It would appear an ideal qubit may be on the horizon.”

Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x

The team published their findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin and Zhou, Argonne contributors include Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li and Ralu Divan. In addition to David Schuster, the University of Chicago contributors also include Brennan Dizdar. In addition to Kater Murch of Washington University in St. Louis, other researchers include Wei Guo of Florida State University, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.

Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research.

READ  Vzácné velrybí ryby, které v Monterey Bay vidělo vozidlo MBARI s hlubinným roverem

You May Also Like

About the Author: Waldo Kemp

"Hudební učenec. Spisovatel. Zlý slanina evangelista. Hrdý twitter narkoman. Myslitel. Milovník internetu. Jemně okouzlující hráč."

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.