Ekstremt nøjagtige målinger af atomtilstande til kvanteberegning

En ny metode gør det muligt at måle kvantetilstanden for atomiske "qubits" - den grundlæggende informationsenhed i kvantecomputere - med tyve gange mindre fejl end tidligere var muligt, uden at miste nogen atomer. Nøjagtig måling af qubit -tilstande, som er analoge med bit -tilstanden en eller nul i traditionel computing, er et vigtigt skridt i udviklingen af ​​kvantecomputere. Et papir, der beskriver metoden af ​​forskere ved Penn State, vises 25. marts, 2019 i journalen Naturfysik .

"Vi arbejder på at udvikle en kvantecomputer, der bruger en tredimensionel række laserkølede og fangede cæsiumatomer som qubits, "sagde David Weiss, professor i fysik ved Penn State og leder af forskerteamet. "På grund af hvordan kvantemekanikken fungerer, atom qubits kan eksistere i en 'superposition' af to tilstande, hvilket betyder, at de kan være, i en vis forstand, i begge stater samtidigt. For at aflæse resultatet af en kvanteberegning, det er nødvendigt at udføre en måling på hvert atom. Hver måling finder hvert atom i kun en af ​​dets to mulige tilstande. Den relative sandsynlighed for de to resultater afhænger af superpositionstilstanden før målingen. "

For at måle qubit -tilstande, holdet bruger først lasere til at afkøle og fange omkring 160 atomer i et tredimensionelt gitter med X, Y, og Z -akser. I første omgang, laserne fanger alle atomerne identisk, uanset deres kvantetilstand. Forskerne roterer derefter polariseringen af ​​en af ​​laserstrålerne, der skaber X -gitteret, som rumligt skifter atomer i en qubit -tilstand til venstre og atomer i den anden qubit -tilstand til højre. Hvis et atom starter i en superposition af de to qubit -tilstande, det ender i en superposition af at have flyttet til venstre og flyttet til højre. De skifter derefter til et X -gitter med et mindre gitterafstand, som strammer atomerne i deres nye superposition af forskudte positioner. Når lys derefter spredes fra hvert atom for at observere, hvor det er, hvert atom findes enten forskudt til venstre eller forskudt til højre, med en sandsynlighed, der afhænger af dens oprindelige tilstand. Målingen af ​​hvert atoms position svarer til en måling af hvert atoms indledende qubit -tilstand.

"At kortlægge interne tilstande på rumlige steder går langt i retning af at gøre dette til en ideel måling, "sagde Weiss." En anden fordel ved vores tilgang er, at målingerne ikke forårsager tab af nogen af ​​de atomer, vi måler, hvilket er en begrænsende faktor i mange tidligere metoder. "

Teamet bestemte nøjagtigheden af ​​deres nye metode ved at indlæse deres gitter med atomer i enten den ene eller den anden qubit -tilstand og udføre målingen. De var i stand til nøjagtigt at måle atomtilstande med en troværdighed på 0,9994, hvilket betyder, at der kun var seks fejl i 10, 000 målinger, en tyve gange forbedring i forhold til tidligere metoder. Derudover fejlprocenten blev ikke påvirket af antallet af qubits, som teamet målte i hvert forsøg, og fordi der ikke var noget tab af atomer, atomer kunne genbruges i en kvantecomputer til at udføre den næste beregning.

"Vores metode ligner Stern-Gerlach-eksperimentet fra 1922-et eksperiment, der er integreret i kvantefysikkens historie, "sagde Weiss." I forsøget, en stråle af sølvatomer blev ført gennem en magnetfeltgradient med deres nordpoler justeret vinkelret på gradienten. Da Stern og Gerlach så halvdelen af ​​atomerne bøje op og halvt ned, det bekræftede ideen om kvantesuperposition, et af de definerende aspekter ved kvantemekanik. I vores eksperiment, vi kortlægger også atomernes interne kvantetilstande på positioner, men vi kan gøre det atom for atom. Selvfølgelig, vi behøver ikke at teste dette aspekt af kvantemekanikken, vi kan bare bruge det. "