Κατά τη διάρκεια της ιστορίας των κβαντικών υπολογιστών, ο χρόνος συνοχής των υπεραγώγιμων qubits – δηλαδή ο χρόνος κατά τον οποίο διατηρούν τις κβαντικές πληροφορίες τους – έχει βελτιωθεί δραστικά. Μια σημαντική βελτίωση προέρχεται από την τοποθέτηση υπεραγώγιμων qubit μέσα σε τρισδιάστατες κοιλότητες συντονιστή μικροκυμάτων, οι οποίες διατηρούν την κατάσταση του qubit κωδικοποιώντας το σε φωτόνια που είναι αποθηκευμένα στην κοιλότητα.
Σε μια πρόσφατη μελέτη, ερευνητές από το Ινστιτούτο Επιστήμης Weizmann του Ισραήλ ξεπέρασαν τα όρια αυτής της μεθόδου επιδεικνύοντας μια νέα τρισδιάστατη διάταξη qubit κοιλότητας με χρόνο συνοχής ενός φωτονίου 34 χιλιοστά του δευτερολέπτου (ms). Ο μεγάλος χρόνος συνοχής είναι το κλειδί για την επίτευξη λειτουργιών qubit χαμηλού σφάλματος (μειώνοντας έτσι το υλικό που απαιτείται για την ανοχή σφαλμάτων) και ο νέος χρόνος συνοχής καταρρίπτει το προηγούμενο ρεκόρ περισσότερο από μια τάξη μεγέθους.
Τα Qubits είναι πολύ ευαίσθητα στο περιβάλλον τους και χάνουν εύκολα πληροφορίες λόγω θορύβου. Για να διατηρήσουν τις καταστάσεις qubit για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, οι ερευνητές στράφηκαν στις κοιλότητες συντονιστή μικροκυμάτων ως μια μορφή συσκευής αποθήκευσης. Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, αυτές οι κοιλότητες είναι τρισδιάστατες δομές που περιλαμβάνουν έναν κοίλο χώρο που έχει σχεδιαστεί για να φιλοξενεί ένα υπεραγώγιμο τσιπ qubit transmon και τα φωτόνια μικροκυμάτων που αλληλεπιδρούν με αυτό. Μέσω μιας διαδικασίας κωδικοποίησης που περιλαμβάνει την εφαρμογή συγκεκριμένων παλμών μικροκυμάτων, η κατάσταση qubit μεταφέρεται στην κατάσταση κοιλότητας και αποθηκεύεται εκεί. Μόλις περάσει η επιθυμητή περίοδος, η κατάσταση ανακτάται κωδικοποιώντας την ξανά στον transmon. Η κοιλότητα επομένως παίζει κρίσιμο ρόλο στον έλεγχο και τη μέτρηση του qubit που βρίσκεται μέσα σε αυτήν.
Για πρακτικές εφαρμογές στην κβαντική επεξεργασία πληροφοριών, η κοιλότητα πρέπει να είναι ικανή να αποθηκεύει την κβαντική κατάσταση για εκτεταμένες περιόδους. Ωστόσο, η επίτευξη αυτού δεν είναι απλή λόγω διαφόρων εξωτερικών παραγόντων. Επειδή είναι τα μικρότερα σωματίδια φωτός, τα φωτόνια είναι δύσκολο να περιοριστούν και χάνονται εύκολα. Οι διαταραχές στο τσιπ qubit που τοποθετείται μέσα στην κοιλότητα είναι σημαντικές πηγές απόσβεσης φωτονίων και αποσυνοχής. Ο σχηματισμός ενός ανεπιθύμητου στρώματος οξειδίου στην επιφάνεια της κοιλότητας μειώνει περαιτέρω τη διάρκεια ζωής του φωτονίου.
Μηχανική ενός νέου σχεδιασμού κοιλότητας
Με επικεφαλής τον Σερζ Ρόζενμπλουμ, Ofir Milul, Barkay Guttel, να Ούρι Γκόλντμπλατ, το Weizmann ξεπέρασε αυτές τις προκλήσεις σχεδιάζοντας μια κοιλότητα υπεραγώγιμου νιοβίου χαμηλών απωλειών που υποστηρίζει ένα qubit ενός φωτονίου μεγάλης διάρκειας ζωής. Χρησιμοποίησαν πολύ καθαρό νιόβιο για να κατασκευάσουν δύο ξεχωριστά μέρη της κοιλότητας και αργότερα συγκόλλησαν τα μέρη για να αποτρέψουν τη διαρροή φωτονίων. Αφαίρεσαν επίσης οξείδια και επιφανειακούς ρύπους γυαλίζοντας χημικά την κοιλότητα.
Η δομή που προκύπτει μοιάζει λίγο με μια ανοιχτή ομπρέλα, με μια μισοελλειπτική γεωμετρία που εξελίσσεται σε έναν στενό κυματοδηγό όπου θα ήταν η λαβή της ομπρέλας. Όπως μια δορυφορική κεραία, η οποία έχει μια καμπύλη επιφάνεια που αντανακλά τα ραδιοκύματα προς το εστιακό της σημείο, η ελλειπτική δομή της κοιλότητας συγκεντρώνει το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στο κέντρο της επίπεδης επιφάνειας του άλλου μισού της κοιλότητας (βλ. εικόνα).
Μόλις η ομάδα είχε προετοιμάσει την κοιλότητα, «η μεγαλύτερη πρόκληση ήταν να ενσωματώσει ένα υπεραγώγιμο qubit transmon σε μια κοιλότητα χωρίς να μειώσει τη διάρκεια ζωής του φωτονίου της κοιλότητας», λέει ο Rosenblum. «Αυτό μας οδηγεί πίσω στην περιβόητη πράξη εξισορρόπησης στα κβαντικά συστήματα μεταξύ της δυνατότητας ελέγχου από τη μία πλευρά και της απομόνωσης από την άλλη».
Οι ερευνητές πέτυχαν αυτή την ισορροπία τοποθετώντας μόνο περίπου 1 χιλιοστό του τσιπ transmon μέσα στην ελλειπτική κοιλότητα, ενώ το υπόλοιπο στεγάζεται μέσα στον κυματοδηγό. Αυτή η διαμόρφωση ελαχιστοποιεί τις απώλειες που προκαλούνται από τσιπ. Η περιορισμένη έκθεση της κοιλότητας στο τσιπ, ωστόσο, αποδυναμώνει την αλληλεπίδραση κοιλότητας-διαβιβαστή, έτσι οι ερευνητές αντιστάθμισαν αυτό εφαρμόζοντας ισχυρούς παλμούς μικροκυμάτων για να κωδικοποιήσουν την κατάσταση qubit στην κοιλότητα.
Μόχλευση μιας κοιλότητας για κβαντική μνήμη και διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων
Χάρη σε αυτόν τον καινοτόμο σχεδιασμό κοιλότητας, οι ερευνητές πέτυχαν διάρκεια ζωής ενός φωτονίου 25 ms και χρόνο συνοχής 34 ms. Αυτή είναι μια σημαντική βελτίωση σε σχέση με την προηγούμενη υπερσύγχρονη κοιλότητα, η οποία είχε χρόνο συνοχής περίπου 2 ms.
Ο Rosenblum και οι συνεργάτες του επέδειξαν επίσης μια μέθοδο διόρθωσης σφαλμάτων γνωστή ως διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων μποζονικών, όπου οι πληροφορίες του qubit αποθηκεύονται περιττά σε πολλαπλά φωτόνια που καταλαμβάνουν την κοιλότητα (οι λεγόμενες καταστάσεις γάτας Schrödinger). Αυτό διατηρεί την εύθραυστη κατάσταση qubit αποθηκεύοντάς την σε πολλά φωτόνια κοιλότητας, όχι μόνο σε λίγα. Το μειονέκτημα είναι ότι όσο αυξάνεται ο αριθμός των αποθηκευμένων φωτονίων, αυξάνεται και ο ρυθμός απώλειας φωτονίων. Παρά αυτόν τον περιορισμό, η ομάδα Weizmann πέτυχε καταστάσεις γάτας Schrodinger με μέγεθος 1024 φωτονίων. Αυτό αντιστοιχεί σε έναν μέσο αριθμό 256 φωτονίων, ο οποίος είναι 10 φορές μεγαλύτερος από τις προηγούμενες επιδείξεις - μια αξιοσημείωτη πρόοδος που θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση της διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων μποζονίων.
Τα qubits της γάτας φτάνουν σε ένα νέο επίπεδο σταθερότητας
Με διάρκεια ζωής φωτονίου τέσσερις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από τον χρόνο που απαιτείται για τις λειτουργίες πύλης, αυτή η ανακάλυψη παρέχει άφθονο χρόνο για τον έλεγχο του qubit πριν χάσει πληροφορίες. Κοιτάζοντας το μέλλον, ο Rosenblum λέει ότι στόχος της ομάδας είναι να πραγματοποιήσει κβαντικές λειτουργίες σε αυτές τις κοιλότητες με πρωτοφανή πιστότητα ή πιθανότητα επιτυχίας. Σημειωτέον, αναφέρει ότι μετά τη δημοσίευση της μελέτης στο Κβαντικό PRX, η ομάδα έχει υπερδιπλασιάσει τη διάρκεια ζωής ενός φωτονίου στα 60 ms, υποδεικνύοντας σημαντικές δυνατότητες για περαιτέρω προόδους.
- 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/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/
