Новият пробив в Qubit може да революционизира квантовите изчисления

Нова кубитова платформа: Електроните от нагрята светлинна нишка (отгоре) кацат върху твърд неон (червен блок), където един електрон (представен като вълнова функция в синьо) е уловен и манипулиран от свръхпроводяща квантова верига (долен шарен чип) . Кредит: С любезното съдействие на Националната лаборатория Dafei Jin/Argonne

Нова платформа qubit може да трансформира квантовата информационна наука и технологии.

Без съмнение разглеждате тази статия на цифрово устройство, чиято основна единица за информация е битът, 0 или 1. Учените от цял ​​свят се надпреварват да разработят нов тип компютър, базиран на използването на квантови битове или кубити.

В статия, публикувана на 4 май 2022 г. в списанието природата, екип, ръководен от Националната лаборатория в Аргон на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) обяви създаването на нова кубит платформа, образувана чрез замразяване на неонов газ в твърдо вещество при много ниски температури, пръскане на електрони от нажежаемата нишка на електрическа крушка върху твърдото вещество и улавяйки един единствен електрон там. Тази система има потенциала да бъде разработена в перфектни градивни елементи за бъдещи квантови компютри.

„Изглежда, че идеалният кубит може да е на хоризонта. Благодарение на относителната простота на платформата електрон върху неон, тя трябва да се поддава на лесно производство на ниска цена. — Дафей Джин, учен от Аргон в Центъра за наномащабни материали

За да се реализира полезен квантов компютър, изискванията за качество на кубитите са изключително взискателни. Въпреки че днес има различни форми на кубити, нито една от тях не е оптимална.

Какво би направило идеален кубит? Според Дафей Джин, учен от Аргон и главен изследовател на проекта, има най-малко три отлични качества.

Може да остане в едновременно състояние 0 и 1 (запомнете котката!) за дълго време. Учените наричат ​​това дълга „съгласуваност“. В идеалния случай това време би било около секунда, времева стъпка, която можем да възприемем на домашен часовник в ежедневието си.

Второ, кубитът може да бъде променен от едно състояние в друго за кратко време. В идеалния случай това време би било около една милиардна от секундата (наносекунда), стъпка във времето на класическия компютърен часовник.

Трето, кубитът може лесно да бъде свързан с много други кубити, така че да могат да работят паралелно един с друг. Учените наричат ​​това свързване като заплитане.

Въпреки че в момента добре познатите кубити не са идеални, компании като IBM, Intel, Google, Honeywell и много стартиращи компании са избрали своя фаворит. Те агресивно се стремят към технологично подобрение и комерсиализация.

„Нашата амбициозна цел не е да се конкурираме с тези компании, а да открием и изградим фундаментално нова кубит система, която може да доведе до идеална платформа“, каза Джин.

Въпреки че има много възможности за избор на видове кубити, екипът избра най-простия – единичен електрон. Загряването на обикновена светлинна нишка, която може да намерите в детска играчка, може лесно да изстреля безграничен запас от електрони.

Едно от предизвикателствата за всеки кубит, включително електрона, е, че той е много чувствителен към смущения от заобикалящата го среда. Така екипът избра да улови електрон върху свръхчиста твърда неонова повърхност във вакуум.

Неонът е един от шепата инертни елементи, които не реагират с други елементи. „Поради тази инертност твърдият неон може да служи като възможно най-чистото твърдо вещество във вакуум, за да приеме и предпази всякакви кубити от нарушаване“, каза Джин.

Ключов компонент в qubit платформата на екипа е микровълнов резонатор с чип, направен от свръхпроводник. (Много по-голямата домашна микровълнова фурна също е микровълнов резонатор.) Свръхпроводниците — метали без електрическо съпротивление — позволяват на електроните и фотоните да взаимодействат заедно при близо до[{” attribute=””>absolute zero with minimal loss of energy or information.

“The microwave resonator crucially provides a way to read out the state of the qubit,” said Kater Murch, physics professor at the Washington University in St. Louis and a senior co-author of the paper. “It concentrates the interaction between the qubit and microwave signal. This allows us to make measurements telling how well the qubit works.”

“With this platform, we achieved, for the first time ever, strong coupling between a single electron in a near-vacuum environment and a single microwave photon in the resonator,” said Xianjing Zhou, a postdoctoral appointee at Argonne and the first author of the paper. “This opens up the possibility to use microwave photons to control each electron qubit and link many of them in a quantum processor,” Zhou added.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years.” — David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper

The team tested the platform in a scientific instrument called a dilution refrigerator, which can reach temperatures as low as a mere 10 millidegrees above absolute zero. This instrument is one of many quantum capabilities in Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science user facility.

The team performed real-time operations to an electron qubit and characterized its quantum properties. These tests demonstrated that the solid neon provides a robust environment for the electron with very low electric noise to disturb it. Most importantly, the qubit attained coherence times in the quantum state competitive with state-of-the-art qubits.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years,” said David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper. “This is only our first series of experiments. Our qubit platform is nowhere near optimized. We will continue improving the coherence times. And because the operation speed of this qubit platform is extremely fast, only several nanoseconds, the promise to scale it up to many entangled qubits is significant.”

There is yet one more advantage to this remarkable qubit platform.“Thanks to the relative simplicity of the electron-on-neon platform, it should lend itself to easy manufacture at low cost,” Jin said. “It would appear an ideal qubit may be on the horizon.”

Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x

The team published their findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin and Zhou, Argonne contributors include Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li and Ralu Divan. In addition to David Schuster, the University of Chicago contributors also include Brennan Dizdar. In addition to Kater Murch of Washington University in St. Louis, other researchers include Wei Guo of Florida State University, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.

Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research.

Add Comment