Το χρονικό διάστημα κατά το οποίο τα κβαντικά bit (qubits) διατηρούν την κβαντική τους φύση είναι κρίσιμο για τον κβαντικό υπολογισμό, επειδή καθορίζει τον αριθμό και την πολυπλοκότητα των υπολογισμών που μπορούν να εκτελέσουν. Για δεκαετίες, η συμβατική σοφία ήταν ότι η αύξηση αυτού του λεγόμενου χρόνου συνοχής σήμαινε την προστασία των qubits το ένα από το άλλο και από εξωτερικές διαταραχές. Τώρα, ωστόσο, οι ερευνητές του Ελβετικού Ινστιτούτου Paul Scherrer, του ETH Zurich και του EPF Lausanne ανέτρεψαν αυτή την ιδέα δείχνοντας ότι ορισμένα qubits μπορούν να επιβιώσουν για μεγαλύτερες περιόδους σε ένα θορυβώδες περιβάλλον.
Όπως οι κλασικοί υπολογιστές που αποθηκεύουν πληροφορίες σε bit που έχουν τιμές 0 ή 1, ο κβαντικός υπολογισμός βασίζεται σε συστήματα που υπάρχουν σε δύο πιθανές καταστάσεις. Η διαφορά είναι ότι τα qubits μπορούν επίσης να βρίσκονται σε μια υπέρθεση αυτών των δύο καταστάσεων. Είναι αυτή η ασάφεια που τους επιτρέπει να εκτελούν συγκεκριμένους υπολογισμούς πολύ πιο γρήγορα από τις κλασσικές μηχανές, αλλά οι κβαντικές καταστάσεις είναι εύθραυστες και τείνουν να αποσυντονίζονται – που σημαίνει ότι επιστρέφουν στη συμπεριφορά τους όπως τα κλασικά 0 και 1, χάνοντας τις πολύτιμες κβαντικές πληροφορίες τους.
Στην τελευταία εργασία, ερευνητές με επικεφαλής τον επιστήμονα φωτονικής Γαβριήλ Αέπλι μελέτησαν qubits στερεάς κατάστασης κατασκευασμένα από ιόντα τερβίου εμποτισμένα σε κρυστάλλους φθοριούχου λιθίου υττρίου (YLiF4). Αυτά τα ιόντα διαθέτουν δύο κβαντικά επίπεδα χαμηλής στάθμης με μια διαφορά ενέργειας στον τομέα συχνότητας επικοινωνιών 5G και είναι αυτά τα συστήματα δύο καταστάσεων που οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ως qubits τους. Βρήκαν ότι ενώ τα περισσότερα από τα qubits έχουν μόνο μέσους χρόνους συνοχής, η χούφτα των qubits που σχηματίζονται σε ζεύγη ιόντων τερβίου που βρίσκονται κοντά μεταξύ τους αποδεικνύεται ότι είναι «εξαιρετικά συνεκτικά».
Αιχμηρές, ευδιάκριτες κορυφές
Οι ερευνητές παρατήρησαν αυτά τα ασυνήθιστα συνεκτικά qubits χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία μικροκυμάτων και ανιχνευτές spin echo, που χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μέτρηση των χρόνων συνοχής. Βρήκαν πολύ έντονες, διακριτές κορυφές στις μετρήσεις ηχούς τους, που αντιστοιχούν σε πολύ μεγαλύτερους χρόνους συνοχής (100 φορές μεγαλύτερους σε ορισμένες περιπτώσεις) για τα qubit ζευγαρωμένων ιόντων από ό,τι για τα qubits που βρίσκονται σε μέσες αποστάσεις από τους γείτονές τους. Η ομάδα εξηγεί αυτούς τους μεγάλους χρόνους συνοχής σημειώνοντας ότι τα ζευγαρωμένα ιόντα δεν μπορούν να ανταλλάξουν ενέργεια με κοντινά μεμονωμένα ιόντα και επομένως δεν διαταράσσονται από τις αλληλεπιδράσεις μαζί τους.
«Ο σκοπός αυτής της έρευνας ήταν να αποδείξει ότι είναι δυνατό να δημιουργηθούν κβαντικές συνεκτικές υπερθέσεις επιπέδων κρυσταλλικού πεδίου (διαφορετικές οργανώσεις χαμηλής ενέργειας των ηλεκτρονίων στα ιόντα σπανίων γαιών), ακόμη και σε μάλλον υψηλές συγκεντρώσεις των ιόντων», εξηγεί. μέλος της ομάδας Markus Müller. «Στην αρχή, δεν ήταν καθόλου σαφές ότι θα μπορούσαμε να δούμε κάποια συνοχή σε ένα τόσο θορυβώδες περιβάλλον και ήταν μια απροσδόκητη ανακάλυψη ότι η συνοχή ήταν εξαιρετικά ανομοιόμορφη μεταξύ των ντοπαρισμένων οντοτήτων και ότι τα «νησιά» υψηλής συνοχής μπορούν να επιζώ."
Η ανακάλυψη θα μπορούσε να ενημερώσει τα σχέδια αρχιτεκτονικών κβαντικών υπολογιστών, προσθέτει - ειδικά για σχήματα στα οποία τα qubits εμφυτεύονται τυχαία σε έναν κεντρικό πίνακα. Άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν τη χρήση των qubits ως κβαντικών αισθητήρων για τη μαγνητική δυναμική στα περιβάλλοντά τους. Αυτό θα μπορούσε, για παράδειγμα, να επιτρέψει στους ερευνητές να διερευνήσουν την ταχύτητα της διάχυσης σπιν σε τυχαία, διπολικά συζευγμένα συστήματα σε μελέτες εντοπισμού πολλών σωμάτων και του ρόλου που παίζουν οι διπολικές αλληλεπιδράσεις στην υποβάθμισή του.
Βελτιστοποίηση της ευαισθησίας του ζεύγους qubits
Κοιτάζοντας το μέλλον, οι ερευνητές στοχεύουν να βελτιστοποιήσουν την ευαισθησία των ζευγών qubits τους και να αναδημιουργήσουν κβαντικές υπερθέσεις τοπικών ηλεκτροπυρηνικών καταστάσεων σε υλικά ξενιστές που είναι απαλλαγμένα από πυρηνικό σπιν. Η κατάργηση του πυρηνικού σπιν θα ελαχιστοποιήσει τις ανεπιθύμητες πηγές μαγνητικού θορύβου, οι οποίες στο YLiF4 προκύπτουν κυρίως από το σπιν των ατόμων φθορίου.
Τα qubit φόρτισης παίρνουν χιλιοπλάσια ώθηση
«Θα προσπαθήσουμε επίσης να επιτύχουμε παρόμοιες συνεκτικές υπερθέσεις καταστάσεων ιόντων διαφορετικής γωνιακής ορμής», αποκαλύπτει ο Müller. «Αυτές θα επεκτείνουν το εύρος των συχνοτήτων διέγερσης από την περιοχή μικροκυμάτων (30 GHz) που χρησιμοποιούμε επί του παρόντος στην οπτική περιοχή, όπου η διαθεσιμότητα ισχυρών λέιζερ επιτρέπει ταχύτερους χρόνους διέγερσης (συχνότητες Rabi). Πράγματι, έχουμε ήδη λάβει ελπιδοφόρα προκαταρκτικά αποτελέσματα προς αυτή την κατεύθυνση».
Η ομάδα διερευνά επίσης τρόπους χρήσης ζευγών προσμείξεων στο πλαίσιο της κβαντικής επεξεργασίας πληροφοριών ή υπολογισμού με προσμίξεις σε πυρίτιο.
Η μελέτη αναλύεται στο Φυσική της Φύσης.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/
