Noua descoperire Qubit ar putea revoluționa calculul cuantic

O nouă platformă qubit: electronii dintr-un filament de lumină încălzit (sus) aterizează pe un neon solid (bloc roșu), unde un singur electron (reprezentat ca o funcție de undă în albastru) este prins și manipulat de un circuit cuantic supraconductor (cip ștanțat). în partea de jos) . Credit: Prin amabilitatea Dafei Jin/Argonne National Laboratory

O nouă platformă qubit ar putea transforma știința și tehnologia informației cuantice.

Fără îndoială, vizualizați acest articol pe un dispozitiv digital a cărui unitate de bază de informare este bitul, fie 0, fie 1. Oamenii de știință din întreaga lume se întrec pentru a dezvolta un nou tip de computer bazat pe utilizarea biților cuantici sau qubiții.

Într-un articol publicat pe 4 mai 2022 în revistă Natură, o echipă condusă de Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE) a anunțat crearea unei noi platforme qubit formată prin înghețarea gazului de neon într-un solid la temperaturi foarte scăzute, pulverizând electroni din filamentul unui bec deasupra solidului. , și prind acolo un singur electron. Acest sistem are potențialul de a deveni blocuri perfecte pentru viitoarele computere cuantice.

„S-ar părea că un qubit ideal ar putea fi la orizont. Datorită simplității relative a platformei electron-on-neon, aceasta ar trebui să se preteze pentru o fabricație ușoară la costuri reduse.” — Dafei Jin, om de știință Argonne la Centrul pentru Materiale la scară nanometrică

Pentru a face un computer cuantic util, cerințele de calitate pentru qubiți sunt extrem de solicitante. Deși există mai multe forme de qubits astăzi, niciuna dintre ele nu este optimă.

Ce ar face un qubit ideal? Are cel puțin trei calități mari, potrivit lui Dafei Jin, un om de știință Argonne și investigator principal al proiectului.

Puteți rămâne într-o stare simultană 0 și 1 (amintiți-vă de pisica!) pentru o perioadă foarte lungă de timp. Oamenii de știință numesc această lungă „coerență”. În mod ideal, acel timp ar fi în jurul secundei, un pas de timp pe care îl putem percepe pe ceasul casei în ziua noastră.

În al doilea rând, qubit-ul poate fi schimbat de la o stare la alta într-un timp scurt. În mod ideal, acel timp ar fi de aproximativ o miliardime de secundă (nanosecundă), un pas de timp al unui ceas clasic de computer.

În al treilea rând, qubit-ul poate fi conectat cu ușurință cu mulți alți qubiți, astfel încât aceștia să poată funcționa în paralel unul cu celălalt. Oamenii de știință se referă la această legătură ca încurcare.

Deși în prezent cunoscutii qubiți nu sunt ideali, companii precum IBM, Intel, Google, Honeywell și multe startup-uri și-au ales favoritul. Ei urmăresc în mod agresiv îmbunătățirea tehnologică și comercializarea.

„Obiectivul nostru ambițios nu este să concurem cu acele companii, ci să descoperim și să construim un sistem qubit fundamental nou, care poate duce la o platformă ideală”, a spus Jin.

Deși există multe opțiuni pentru tipurile de qubit, echipa a ales-o pe cea mai simplă: un singur electron. Încălzirea unui filament de lumină simplu pe care îl puteți găsi într-o jucărie pentru copii poate declanșa cu ușurință o sursă nelimitată de electroni.

Una dintre provocările pentru orice qubit, inclusiv electronul, este că este foarte sensibil la perturbările din mediul său. Prin urmare, echipa a ales să prindă un electron pe o suprafață de neon solid ultrapur în vid.

Neonul este unul dintre puținele elemente inerte care nu reacționează cu alte elemente. „Din cauza acestei inerții, neonul solid poate servi drept cel mai curat solid posibil într-un vid pentru a adăposti și a proteja orice qubit de întrerupere”, a spus Jin.

O componentă cheie a platformei qubit a echipei este un rezonator cu microunde la scară de cip realizat dintr-un supraconductor. (Cuptorul cu microunde de acasă mult mai mare este, de asemenea, un rezonator pentru microunde.) Supraconductorii (metale fără rezistență electrică) permit electronilor și fotonilor să interacționeze între ei la aproape[{” 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