Hybride qubits løser en central hindring for kvanteberegning

Spinbaserede kvantecomputere har potentiale til at tackle vanskelige matematiske problemer, der ikke kan løses ved hjælp af almindelige computere, men der er stadig mange problemer med at gøre disse maskiner skalerbare. Nu, en international gruppe forskere under ledelse af RIKEN Center for Emergent Matter Science har udformet en ny arkitektur til kvanteberegning. Ved at konstruere en hybrid -enhed fremstillet af to forskellige typer qubit - det grundlæggende computerelement i kvantecomputere - har de skabt en enhed, der hurtigt kan initialiseres og læses op, og det opretholder samtidig høj kontrolfidelitet.

I en æra, hvor konventionelle computere ser ud til at nå en grænse, kvantecomputere - der foretager beregninger ved hjælp af kvantefænomener - er blevet udråbt som potentielle erstatninger, og de kan tackle problemer på en meget anderledes og potentielt meget hurtigere måde. Imidlertid, det har vist sig svært at skalere dem op til den størrelse, der kræves til at udføre virkelige beregninger.

I 1998, Daniel Loss, en af ​​forfatterne til den aktuelle undersøgelse, kom med et forslag, sammen med David DiVincenzo fra IBM, at bygge en kvantecomputer ved hjælp af elektronernes spins indlejret i en kvantepunkt - en lille partikel, der opfører sig som et atom, men det kan manipuleres, så de undertiden kaldes "kunstige atomer". I tiden siden da, Tab og hans team har bestræbt sig på at bygge praktiske enheder.

Der er en række barrierer for at udvikle praktiske enheder med hensyn til hastighed. Først, enheden skal kunne initialiseres hurtigt. Initialisering er processen med at sætte en qubit i en bestemt tilstand, og hvis det ikke kan gøres hurtigt, sænker det enheden. Sekund, den skal opretholde sammenhæng i et stykke tid nok til at foretage en måling. Sammenhæng refererer til sammenfiltringen mellem to kvantetilstande, og i sidste ende bruges dette til at foretage målingen, så hvis qubits bliver dekoherente på grund af miljøstøj, for eksempel, enheden bliver værdiløs. Og endelig, qubitens ultimative tilstand skal hurtigt kunne aflæses.

Mens der er blevet foreslået en række metoder til at bygge en kvantecomputer, den foreslåede af Loss og DiVincenzo er fortsat en af ​​de mest praktisk mulige, da det er baseret på halvledere, som der allerede findes en stor industri for.

For den aktuelle undersøgelse, udgivet i Naturkommunikation , teamet kombinerede to typer qubits på en enkelt enhed. Den første, en type single-spin qubit kaldet en Loss-DiVincenzo qubit, har meget høj kontroltrohed - hvilket betyder, at den er i klar tilstand, gør den ideel til beregninger, og har en lang decoherence tid, så den vil forblive i en given tilstand i relativt lang tid, før den mister sit signal til miljøet.

Desværre, ulempen ved disse qubits er, at de ikke hurtigt kan initialiseres til en tilstand eller læses op. Den anden type, kaldet en singlet-triplet qubit, initialiseres hurtigt og læses op, men det bliver hurtigt decoherent. Til undersøgelsen, forskerne kombinerede de to typer med en type kvanteport kendt som en kontrolleret faseport, som tillod spin -tilstande at blive viklet ind mellem qubitterne i en tid, der var hurtig nok til at opretholde sammenhængen, gør det muligt at aflæse tilstanden for single-spin qubit ved den hurtige singlet-triplet qubit-måling.

Ifølge Akito Noiri fra CEMS, undersøgelsens hovedforfatter, "Med denne undersøgelse har vi demonstreret, at forskellige typer kvantepunkter kan kombineres på en enkelt enhed for at overvinde deres respektive begrænsninger. Dette giver vigtig indsigt, der kan bidrage til skalerbarheden af ​​kvantecomputere."