Trong lịch sử của điện toán lượng tử, thời gian kết hợp của các qubit siêu dẫn – tức là thời gian chúng lưu giữ thông tin lượng tử – đã được cải thiện đáng kể. Một cải tiến lớn đến từ việc đặt các qubit siêu dẫn bên trong các hộp cộng hưởng vi sóng ba chiều, bảo toàn trạng thái của qubit bằng cách mã hóa nó thành các photon được lưu trữ trong hộp.
Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Weizmann của Israel đã vượt qua ranh giới của phương pháp này bằng cách chứng minh một thiết lập qubit khoang ba chiều mới với thời gian kết hợp một photon là 34 mili giây (ms). Thời gian kết hợp dài là chìa khóa để đạt được các hoạt động qubit có sai số thấp (từ đó giảm phần cứng cần thiết để chịu lỗi) và thời gian kết hợp mới sẽ phá vỡ kỷ lục trước đó nhiều hơn một bậc.
Qubit rất nhạy cảm với môi trường của chúng và dễ bị mất thông tin do tiếng ồn. Để duy trì trạng thái qubit lâu hơn, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng các khoang cộng hưởng vi sóng như một dạng thiết bị lưu trữ. Đúng như tên gọi của chúng, những khoang này là cấu trúc ba chiều bao gồm một không gian rỗng được thiết kế để chứa chip qubit transmon siêu dẫn và các photon vi sóng tương tác với nó. Thông qua quá trình mã hóa liên quan đến việc áp dụng các xung vi sóng cụ thể, trạng thái qubit được chuyển sang trạng thái khoang và được lưu trữ ở đó. Sau khi khoảng thời gian mong muốn trôi qua, trạng thái sẽ được truy xuất bằng cách mã hóa nó trở lại transmon. Do đó, khoang này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và đo lường qubit được đặt bên trong nó.
Đối với các ứng dụng thực tế trong xử lý thông tin lượng tử, khoang phải có khả năng lưu trữ trạng thái lượng tử trong thời gian dài. Tuy nhiên, để đạt được điều này không hề đơn giản do có nhiều yếu tố bên ngoài. Vì chúng là những hạt ánh sáng nhỏ nhất nên photon khó bị giam giữ và dễ bị mất đi. Sự nhiễu loạn trong chip qubit được đặt bên trong khoang là nguồn gây ra sự suy giảm và mất kết hợp photon đáng kể. Sự hình thành lớp oxit không mong muốn trên bề mặt khoang làm giảm tuổi thọ của photon hơn nữa.
Kỹ thuật thiết kế khoang mới
Do Serge Rosenblum, Ofir Milul, Barkay Guttelvà Uri Goldblatt, Weizmann nhóm đã vượt qua những thách thức này bằng cách thiết kế khoang niobium siêu dẫn tổn thất thấp hỗ trợ qubit đơn photon tồn tại lâu dài. Họ sử dụng niobi có độ tinh khiết cao để chế tạo hai phần riêng biệt của khoang, sau đó hàn các bộ phận lại với nhau để ngăn các photon rò rỉ ra ngoài. Họ cũng loại bỏ oxit và các chất gây ô nhiễm bề mặt bằng cách đánh bóng khoang bằng hóa chất.
Cấu trúc thu được trông hơi giống một chiếc ô đang mở, với hình học nửa elip phát triển thành một ống dẫn sóng hẹp nơi đặt tay cầm của chiếc ô. Giống như ăng-ten đĩa vệ tinh có bề mặt cong phản xạ sóng vô tuyến về phía tiêu điểm của nó, cấu trúc hình elip của khoang tập trung trường điện từ vào tâm bề mặt phẳng của nửa còn lại của khoang (xem hình ảnh).
Sau khi đội nghiên cứu đã chuẩn bị xong khoang, “thách thức lớn nhất là tích hợp một qubit truyền siêu dẫn vào khoang mà không làm giảm tuổi thọ của photon trong khoang”, Rosenblum nói. “Điều này đưa chúng ta quay trở lại hành động cân bằng khét tiếng trong các hệ lượng tử giữa khả năng kiểm soát được ở một bên và khả năng cô lập ở bên kia.”
Các nhà nghiên cứu đã đạt được sự cân bằng này bằng cách chỉ đặt khoảng 1 milimet chip transmon bên trong khoang hình elip, trong khi phần còn lại được đặt bên trong ống dẫn sóng. Cấu hình này giảm thiểu tổn thất do chip gây ra. Tuy nhiên, khả năng tiếp xúc hạn chế của khoang với chip sẽ làm suy yếu tương tác truyền khoang, vì vậy các nhà nghiên cứu đã bù đắp điều này bằng cách áp dụng các xung vi sóng mạnh để mã hóa trạng thái qubit trong khoang.
Tận dụng khoang cho bộ nhớ lượng tử và sửa lỗi lượng tử
Nhờ thiết kế hộp cộng hưởng cải tiến này, các nhà nghiên cứu đã đạt được thời gian tồn tại của một photon đơn lẻ là 25 mili giây và thời gian kết hợp là 34 mili giây. Đây là một cải tiến đáng kể so với khoang cộng hưởng tiên tiến trước đó, vốn có thời gian kết hợp khoảng 2 mili giây.
Rosenblum và các đồng sự còn trình diễn một phương pháp sửa lỗi gọi là sửa lỗi lượng tử bosonic, nhờ đó thông tin của qubit được lưu trữ dư thừa trong nhiều photon chiếm giữ khoang (còn gọi là trạng thái con mèo Schrödinger). Điều này bảo tồn trạng thái qubit mong manh bằng cách lưu trữ nó trong nhiều photon khoang chứ không chỉ một số ít. Hạn chế là khi số lượng photon được lưu trữ tăng lên thì tốc độ mất photon cũng tăng theo. Bất chấp hạn chế này, nhóm Weizmann đã đạt được trạng thái mèo Schrodinger với kích thước 1024 photon. Con số này tương ứng với con số trung bình là 256 photon, lớn hơn 10 lần so với các cuộc trình diễn trước đó – một tiến bộ vượt trội có thể cải thiện hiệu suất của việc sửa lỗi lượng tử bosonic.
Qubit mèo đạt đến mức độ ổn định mới
Với tuổi thọ của photon lớn hơn bốn bậc độ lớn so với thời gian cần thiết cho các hoạt động của cổng, bước đột phá này mang lại nhiều thời gian để kiểm soát qubit trước khi nó mất thông tin. Nhìn về phía trước, Rosenblum cho biết mục tiêu của đội là hiện thực hóa các phép toán lượng tử trên những khoang này với độ chính xác chưa từng có hoặc xác suất thành công. Đáng chú ý, ông đề cập rằng sau khi nghiên cứu được công bố trên Lượng tử PRX, nhóm nghiên cứu đã tăng hơn gấp đôi thời gian tồn tại của một photon đơn lẻ lên 60 mili giây, cho thấy tiềm năng đáng kể cho những tiến bộ hơn nữa.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/
