Khoảng thời gian mà các bit lượng tử (qubit) duy trì bản chất lượng tử của chúng rất quan trọng đối với điện toán lượng tử vì nó quyết định số lượng và độ phức tạp của các phép tính mà chúng có thể thực hiện. Trong nhiều thập kỷ, quan niệm thông thường cho rằng việc tăng cái gọi là thời gian kết hợp này có nghĩa là bảo vệ các qubit khỏi nhau và khỏi những nhiễu loạn bên ngoài. Tuy nhiên, giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Paul Scherrer của Thụy Sĩ, ETH Zurich và EPF Lausanne đã biến ý tưởng này thành hiện thực bằng cách chứng minh rằng một số qubit có thể tồn tại trong thời gian dài hơn trong môi trường ồn ào.

Giống như các máy tính cổ điển lưu trữ thông tin dưới dạng bit có giá trị 0 hoặc 1, điện toán lượng tử dựa trên các hệ thống tồn tại ở hai trạng thái có thể. Sự khác biệt là qubit cũng có thể ở trạng thái chồng chất của hai trạng thái này. Chính sự mơ hồ này đã cho phép chúng thực hiện một số phép tính nhanh hơn nhiều so với các máy cổ điển, nhưng các trạng thái lượng tử rất mong manh và có xu hướng mất kết hợp – nghĩa là chúng trở lại hành xử giống như các số 0 và 1 cổ điển, làm mất đi thông tin lượng tử quý giá của chúng.

Trong công trình mới nhất, các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi nhà khoa học quang tử Gabriel Aepli đã nghiên cứu các qubit trạng thái rắn được tạo ra từ các ion terbium pha tạp vào các tinh thể yttrium lithium fluoride (YLiF₄). Các ion này sở hữu hai mức lượng tử ở mức thấp với sự chênh lệch năng lượng trong miền tần số truyền thông 5G và chính các hệ thống hai trạng thái này đã được các nhà nghiên cứu sử dụng làm qubit của họ. Họ phát hiện ra rằng trong khi hầu hết các qubit chỉ trải qua thời gian kết hợp trung bình, thì một số ít qubit hình thành theo cặp ion terbium nằm gần nhau hóa ra lại “kết hợp một cách tinh tế”.

Đỉnh nhọn, rõ rệt

Các nhà nghiên cứu đã quan sát những qubit kết hợp bất thường này bằng cách sử dụng quang phổ vi sóng và đầu dò tiếng vang spin, thường được sử dụng để đo thời gian kết hợp. Họ tìm thấy các đỉnh rất sắc nét, khác biệt trong các phép đo tiếng vang của mình, tương ứng với thời gian kết hợp lâu hơn nhiều (dài hơn 100 lần trong một số trường hợp) đối với các qubit ion ghép đôi so với các qubit nằm ở khoảng cách trung bình so với các lân cận của chúng. Đội nghiên cứu giải thích những thời gian kết hợp dài này bằng cách lưu ý rằng các ion ghép đôi không thể trao đổi năng lượng với các ion đơn lẻ ở gần và do đó không bị nhiễu loạn bởi các tương tác với chúng.

“Mục đích của nghiên cứu này là để chứng minh rằng có thể tạo ra sự chồng chất kết hợp lượng tử của các mức trường tinh thể (các tổ chức năng lượng thấp khác nhau của các electron trên các ion đất hiếm), ngay cả ở nồng độ ion khá cao,” giải thích thành viên của đội Markus Muller. “Lúc đầu, không rõ ràng là chúng ta có thể nhìn thấy bất kỳ sự kết hợp nào trong một môi trường ồn ào như vậy hay không và đó là một khám phá bất ngờ rằng sự kết hợp rất không đồng nhất giữa các thực thể pha tạp và những 'hòn đảo' có tính kết hợp cao có thể tồn tại."

Ông cho biết thêm, khám phá này có thể cung cấp thông tin cho các thiết kế về kiến ​​trúc điện toán lượng tử – đặc biệt là đối với các sơ đồ trong đó qubit được cấy ngẫu nhiên vào ma trận máy chủ. Các ứng dụng tiềm năng khác bao gồm sử dụng qubit làm cảm biến lượng tử cho động lực từ trong môi trường của chúng. Ví dụ, điều này có thể cho phép các nhà nghiên cứu thăm dò tốc độ khuếch tán spin trong các hệ thống ghép đôi lưỡng cực ngẫu nhiên trong các nghiên cứu về sự định vị nhiều vật thể và vai trò của các tương tác lưỡng cực trong việc làm suy giảm nó.

Tối ưu hóa độ nhạy của cặp qubit

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu tối ưu hóa độ nhạy của cặp qubit của họ và tái tạo sự chồng chất lượng tử của các trạng thái điện hạt nhân cục bộ trong vật liệu chủ không có spin hạt nhân. Việc loại bỏ spin hạt nhân sẽ giảm thiểu các nguồn nhiễu từ không mong muốn, trong YLiF₄ phát sinh chủ yếu từ spin của nguyên tử flo.

“Chúng tôi cũng sẽ cố gắng thu được sự chồng chất nhất quán tương tự của các trạng thái ion có xung lượng góc khác nhau” Müller tiết lộ. “Những thứ này sẽ mở rộng phạm vi tần số kích thích từ vùng vi sóng (30 GHz) mà chúng tôi hiện đang sử dụng đến phạm vi quang học, nơi sự sẵn có của các tia laser mạnh cho phép thời gian kích thích nhanh hơn (tần số Rabi). Quả thực, chúng tôi đã thu được những kết quả bước đầu đầy hứa hẹn theo hướng này.”

Đội nghiên cứu cũng đang tìm cách sử dụng các cặp chất pha tạp trong bối cảnh xử lý thông tin lượng tử hoặc tính toán bằng chất pha tạp trong silicon.

Nghiên cứu được trình bày chi tiết trong Vật lý tự nhiên.

• 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/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/