Kuantum hesaplamanın tarihi boyunca, süperiletken kübitlerin tutarlılık süresi, yani kuantum bilgilerini sakladıkları süre, büyük ölçüde iyileşti. Büyük bir gelişme, süperiletken kübitlerin, boşlukta depolanan fotonlarda kodlayarak kübitin durumunu koruyan üç boyutlu mikrodalga rezonatör boşluklarının içine yerleştirilmesinden kaynaklanmaktadır.
Yakın zamanda yapılan bir çalışmada İsrail'in Weizmann Bilim Enstitüsü'nden araştırmacılar, 34 milisaniyelik (ms) tek foton tutarlılık süresine sahip yeni bir üç boyutlu boşluklu kübit düzeneği göstererek bu yöntemin sınırlarını zorladı. Uzun tutarlılık süresi, düşük hatalı kübit operasyonlarına ulaşmanın anahtarıdır (böylece hata toleransı için gereken donanım azalır) ve yeni tutarlılık süresi, önceki rekoru kat kat daha fazla yerle bir eder.
Qubit'ler çevrelerine karşı son derece duyarlıdır ve gürültü nedeniyle bilgileri kolayca kaybederler. Qubit durumlarını daha uzun süre korumak için araştırmacılar, bir tür depolama cihazı olarak mikrodalga rezonatör boşluklarına yöneldiler. Adından da anlaşılacağı gibi bu boşluklar, süper iletken bir transmon kübit çipini ve onunla etkileşime giren mikrodalga fotonlarını barındıracak şekilde tasarlanmış içi boş bir alan içeren üç boyutlu yapılardır. Spesifik mikrodalga darbelerinin uygulanmasını içeren bir kodlama işlemi aracılığıyla kübit durumu, boşluk durumuna aktarılır ve orada saklanır. İstenilen süre geçtikten sonra durum, transmona geri kodlanarak geri alınır. Dolayısıyla boşluk, içine yerleştirilen kubitin kontrol edilmesinde ve ölçülmesinde çok önemli bir rol oynuyor.
Kuantum bilgi işlemedeki pratik uygulamalar için boşluğun kuantum durumunu uzun süreler boyunca saklayabilmesi gerekir. Ancak bunu başarmak çeşitli dış faktörlerden dolayı kolay değildir. Onlar ışığın en küçük parçacıkları oldukları için fotonların hapsedilmesi zordur ve kolayca kaybolurlar. Boşluğun içine yerleştirilen kubit çipindeki bozukluklar, önemli foton sönümleme ve eşevresizlik kaynaklarıdır. Kavitenin yüzeyinde istenmeyen bir oksit tabakasının oluşması fotonun ömrünü daha da azaltır.
Yeni bir boşluk tasarımı mühendisliği
Liderliğinde Serge Rosenblum, Ofir Milul, Barkay Guttel, ve Uri Goldblatt, Weizmann takım uzun ömürlü tek fotonlu kübiti destekleyen, düşük kayıplı süper iletken bir niyobyum boşluğu tasarlayarak bu zorlukların üstesinden geldi. Boşluğun iki ayrı parçasını üretmek için oldukça saf niyobyum kullandılar ve daha sonra fotonların dışarı sızmasını önlemek için parçaları birbirine kaynakladılar. Ayrıca boşluğu kimyasal olarak parlatarak oksit ve yüzey kirleticilerini de temizlediler.
Ortaya çıkan yapı, şemsiyenin sapının olacağı yerde dar bir dalga kılavuzuna dönüşen yarı eliptik bir geometriye sahip, biraz açık bir şemsiyeye benziyor. Odak noktasına doğru radyo dalgalarını yansıtan kavisli bir yüzeye sahip bir uydu çanak anteni gibi, boşluğun eliptik yapısı, elektromanyetik alanı boşluğun diğer yarısının düz yüzeyinin merkezinde yoğunlaştırır (resme bakın).
Rosenblum, ekibin boşluğu hazırladıktan sonra "en büyük zorluk, boşluğun foton ömrünü kısaltmadan süper iletken bir transmon kübiti boşluğa entegre etmekti" diyor. "Bu bizi kuantum sistemlerinde bir yanda kontrol edilebilirlik, diğer yanda izolasyon arasındaki meşhur dengeleme hareketine geri götürüyor."
Araştırmacılar bu dengeyi, transmon çipinin yalnızca yaklaşık 1 milimetresini eliptik boşluğun içine yerleştirerek, geri kalanını ise dalga kılavuzunun içine yerleştirerek başardılar. Bu konfigürasyon çip kaynaklı kayıpları en aza indirir. Ancak boşluğun çipe sınırlı düzeyde maruz kalması, boşluk-transmon etkileşimini zayıflatıyor; dolayısıyla araştırmacılar, boşluktaki kübit durumunu kodlamak için güçlü mikrodalga darbeleri uygulayarak bunu telafi etti.
Kuantum belleği ve kuantum hata düzeltmesi için boşluktan yararlanma
Bu yenilikçi boşluk tasarımı sayesinde araştırmacılar, 25 ms'lik tek foton ömrüne ve 34 ms'lik tutarlılık süresine ulaştı. Bu, yaklaşık 2 ms tutarlılık süresine sahip olan önceki son teknoloji ürünü kaviteye göre önemli bir gelişmedir.
Rosenblum ve meslektaşları ayrıca bozonik kuantum hata düzeltmesi olarak bilinen bir hata düzeltme yöntemi de gösterdiler; bu yöntemde kübitin bilgileri, boşluğu işgal eden birden fazla fotonda (Schrödinger kedisi durumları olarak adlandırılır) yedekli olarak depolanır. Bu, kırılgan kübit durumunu sadece birkaç tane değil, birçok boşluk fotonunda depolayarak korur. Dezavantajı ise depolanan fotonların sayısı arttıkça foton kaybı oranının da artmasıdır. Bu kısıtlamaya rağmen Weizmann ekibi 1024 foton büyüklüğünde Schrödinger kedisi durumlarına ulaştı. Bu, önceki gösterilerden 256 kat daha büyük olan ortalama 10 fotona karşılık gelir; bozonik kuantum hata düzeltme performansını artırabilecek dikkate değer bir gelişme.
Cat kübitleri yeni bir kararlılık düzeyine ulaşıyor
Kapı operasyonları için gereken süreden dört kat daha fazla foton ömrüne sahip olan bu atılım, kübitin bilgi kaybetmeden kontrol edilmesi için yeterli zaman sağlıyor. Geleceğe baktığımızda Rosenblum, ekibin amacının bu boşluklar üzerinde benzeri görülmemiş bir doğrulukla veya başarı olasılığıyla kuantum operasyonları gerçekleştirmek olduğunu söylüyor. Özellikle, çalışmanın yayınlandıktan sonra şunu belirtiyor: PRX KuantumEkip, tek fotonun ömrünü iki katından fazla artırarak 60 ms'ye çıkardı ve bu da daha fazla ilerleme için önemli bir potansiyele işaret ediyor.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/
