Hvor lang tid kvantebiter (qubits) beholder sin kvantenatur er avgjørende for kvanteberegning fordi den bestemmer antallet og kompleksiteten til beregninger de kan utføre. I flere tiår har den konvensjonelle visdommen vært at å øke denne såkalte koherenstiden betydde å beskytte qubits fra hverandre og fra eksterne forstyrrelser. Nå har imidlertid forskere ved Sveits Paul Scherrer Institute, ETH Zurich og EPF Lausanne snudd denne ideen på hodet ved å vise at noen qubits kan overleve i lengre perioder i et støyende miljø.

I likhet med klassiske datamaskiner som lagrer informasjon i biter som har verdier på 0 eller 1, er kvanteberegning avhengig av systemer som eksisterer i to mulige tilstander. Forskjellen er at qubits også kan være i en superposisjon av disse to tilstandene. Det er denne tvetydigheten som gjør dem i stand til å utføre visse beregninger mye raskere enn klassiske maskiner, men kvantetilstander er skjøre og har en tendens til å dekohere – noe som betyr at de går tilbake til å oppføre seg som klassiske 0-er og 1-ere, og mister sin dyrebare kvanteinformasjon.

I det siste arbeidet, forskere ledet av fotonikk vitenskapsmann Gabriel Aeppli studerte faststoff-qubits laget av terbiumioner dopet inn i krystaller av yttriumlitiumfluorid (YLiF₄). Disse ionene har to lavtliggende kvantenivåer med en energiforskjell i 5G-kommunikasjonsfrekvensdomenet, og det er disse to-statssystemene forskerne brukte som sine qubits. De fant at mens de fleste av qubitene kun opplever gjennomsnittlige koherenstider, viser de håndfulle qubitene som dannes i par med terbiumioner som ligger tett sammen seg å være "utsøkt koherente".

Skarpe, tydelige topper

Forskerne observerte disse uvanlig koherente qubits ved hjelp av mikrobølgespektroskopi og spinnekkoprober, som rutinemessig brukes til å måle koherenstider. De fant veldig skarpe, distinkte topper i ekkomålingene, som tilsvarer mye lengre koherenstider (100 ganger lengre i noen tilfeller) for de parede ion-qubitene enn for qubits lokalisert i gjennomsnittlig avstand fra naboene. Teamet forklarer disse lange koherenstidene ved å merke seg at de sammenkoblede ionene ikke kan utveksle energi med nærliggende enkeltioner og derfor ikke forstyrres av interaksjoner med dem.

"Hensikten med denne forskningen var å bevise at det er mulig å generere kvantekoherente superposisjoner av krystallfeltnivåer (ulike lavenergiorganisasjoner av elektronene på ionene av sjeldne jordarter), selv ved ganske høye konsentrasjoner av ionene," forklarer teammedlem Markus Mueller. "Til å begynne med var det slett ikke klart at vi ville være i stand til å se noen sammenheng i et så støyende miljø, og det var en uventet oppdagelse at koherens var svært uensartet blant de dopede enhetene og at "øyer" med høy koherens kan overleve."

Oppdagelsen kan informere design av kvantedatabehandlingsarkitekturer, legger han til - spesielt for skjemaer der qubits implanteres tilfeldig i en vertsmatrise. Andre potensielle bruksområder inkluderer bruk av qubits som kvantesensorer for magnetisk dynamikk i deres miljøer. Dette kan for eksempel gjøre det mulig for forskere å undersøke hastigheten på spinndiffusjon i tilfeldige, dipolare koblede systemer i studier av lokalisering av mange kropper og rollen som dipolare interaksjoner spiller for å forringe den.

Optimalisering av følsomheten til parets qubits

Ser fremover, tar forskerne sikte på å optimalisere følsomheten til deres par-qubits og å gjenskape kvantesuperposisjoner av lokale elektro-kjernefysiske tilstander i vertsmaterialer som er fri for kjernefysisk spinn. Fjerning av kjernefysisk spinn vil minimere uønskede kilder til magnetisk støy, som i YLiF₄ oppstår først og fremst fra fluoratomenes spinn.

"Vi vil også prøve å oppnå lignende koherente superposisjoner av ionetilstander med forskjellig vinkelmomentum," avslører Müller. "Disse vil utvide spekteret av eksitasjonsfrekvenser fra mikrobølgeområdet (30 GHz) som vi for tiden bruker til det optiske området, der tilgjengeligheten av sterke lasere gir raskere eksitasjonstider (Rabi-frekvenser). Faktisk har vi allerede oppnådd lovende foreløpige resultater i denne retningen.»

Teamet utforsker også måter å bruke dopingpar i sammenheng med kvanteinformasjonsbehandling eller databehandling med dopingmidler i silisium.

Studien er detaljert i Naturfysikk.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/