De tijdsduur dat kwantumbits (qubits) hun kwantumkarakter behouden, is cruciaal voor kwantumcomputing, omdat het het aantal en de complexiteit bepaalt van de berekeningen die ze kunnen uitvoeren. Decennia lang was de conventionele wijsheid dat het vergroten van deze zogenaamde coherentietijd betekende dat qubits tegen elkaar en tegen externe verstoringen moesten worden beschermd. Nu hebben onderzoekers van het Zwitserse Paul Scherrer Instituut, ETH Zürich en EPF Lausanne dit idee echter op zijn kop gezet door aan te tonen dat sommige qubits langere perioden kunnen overleven in een lawaaierige omgeving.

Net als klassieke computers die informatie opslaan in bits met de waarden 0 of 1, vertrouwt quantum computing op systemen die in twee mogelijke toestanden bestaan. Het verschil is dat qubits zich ook in een superpositie van deze twee toestanden kunnen bevinden. Het is deze dubbelzinnigheid die hen in staat stelt bepaalde berekeningen veel sneller uit te voeren dan klassieke machines, maar kwantumtoestanden zijn kwetsbaar en hebben de neiging te decohereren – wat betekent dat ze zich weer gaan gedragen als klassieke nullen en enen, waarbij ze hun kostbare kwantuminformatie verliezen.

In het nieuwste werk leidden onderzoekers onder leiding van een fotonica-wetenschapper Gabriël Aeppli bestudeerde qubits in vaste toestand gemaakt van terbiumionen gedoteerd in kristallen van yttriumlithiumfluoride (YLiF₄). Deze ionen bezitten twee laaggelegen kwantumniveaus met een energieverschil in het 5G-communicatiefrequentiedomein, en het zijn deze tweestatensystemen die de onderzoekers als hun qubits gebruikten. Ze ontdekten dat, hoewel de meeste qubits slechts gemiddelde coherentietijden ervaren, het handjevol qubits dat zich vormt in paren terbiumionen die dicht bij elkaar liggen, “buitengewoon coherent” blijken te zijn.

Scherpe, duidelijke pieken

De onderzoekers observeerden deze ongewoon coherente qubits met behulp van microgolfspectroscopie en spin-echosondes, die routinematig worden gebruikt om de coherentietijden te meten. Ze vonden zeer scherpe, duidelijke pieken in hun echometingen, die overeenkomen met veel langere coherentietijden (in sommige gevallen honderd keer langer) voor de qubits met gepaarde ionen dan voor qubits die zich op gemiddelde afstanden van hun buren bevinden. Het team verklaart deze lange coherentietijden door op te merken dat de gepaarde ionen geen energie kunnen uitwisselen met nabijgelegen afzonderlijke ionen en dus niet worden verstoord door interacties met hen.

“Het doel van dit onderzoek was om te bewijzen dat het mogelijk is om kwantumcoherente superposities van kristalveldniveaus (verschillende lage-energetische organisaties van de elektronen op de ionen van zeldzame aardmetalen) te genereren, zelfs bij vrij hoge concentraties van de ionen”, legt hij uit. teamlid Markus Müller. “In eerste instantie was het helemaal niet duidelijk dat we enige coherentie zouden kunnen zien in zo’n luidruchtige omgeving en het was een onverwachte ontdekking dat de coherentie zeer niet-uniform was onder de gedoteerde entiteiten en dat ‘eilanden’ met een hoge coherentie overleven."

De ontdekking zou de basis kunnen vormen voor ontwerpen van quantumcomputerarchitecturen, voegt hij eraan toe, vooral voor schema's waarin qubits willekeurig in een hostmatrix worden geïmplanteerd. Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer het gebruik van de qubits als kwantumsensoren voor magnetische dynamiek in hun omgeving. Dit zou onderzoekers bijvoorbeeld in staat kunnen stellen de snelheid van spindiffusie in willekeurige, dipolair gekoppelde systemen te onderzoeken in onderzoeken naar de lokalisatie van veel lichamen en de rol die dipolaire interacties spelen bij de afbraak ervan.

Optimaliseren van de gevoeligheid van de paarqubits

Vooruitkijkend willen de onderzoekers de gevoeligheid van hun paarqubits optimaliseren en kwantumsuperposities van lokale elektronucleaire toestanden nabootsen in gastmaterialen die vrij zijn van nucleaire spin. Het verwijderen van kernspin zal ongewenste bronnen van magnetische ruis minimaliseren, wat bij YLiF het geval is₄ komen voornamelijk voort uit de spin van de fluoratomen.

“We zullen ook proberen vergelijkbare coherente superposities van ionentoestanden met verschillende impulsmomenten te bereiken”, onthult Müller. “Deze zullen het bereik van excitatiefrequenties uitbreiden van het microgolfgebied (30 GHz) dat we momenteel gebruiken naar het optische bereik, waar de beschikbaarheid van sterke lasers snellere excitatietijden mogelijk maakt (Rabi-frequenties). We hebben inderdaad al veelbelovende voorlopige resultaten in deze richting behaald.”

Het team onderzoekt ook manieren om doteerparen te gebruiken in de context van kwantuminformatieverwerking of computergebruik met doteermiddelen in silicium.

De studie is gedetailleerd in Natuurfysica.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/