Kæmpeatomer muliggør kvantebehandling og kommunikation i én

MIT-forskere har introduceret en kvanteberegningsarkitektur, der kan udføre kvanteberegninger med lav fejl, samtidig med at de hurtigt deler kvanteinformation mellem processorer. Arbejdet repræsenterer et vigtigt fremskridt hen imod en komplet kvantecomputerplatform.

Forud for denne opdagelse, små kvanteprocessorer har med succes udført opgaver med en hastighed, der er eksponentielt hurtigere end klassiske computere. Imidlertid, det har været vanskeligt kontrollerbart at kommunikere kvanteinformation mellem fjerne dele af en processor. I klassiske computere, kablede sammenkoblinger bruges til at dirigere information frem og tilbage gennem en processor i løbet af en beregning. I en kvantecomputer, imidlertid, selve informationen er kvantemekanisk og skrøbelig, kræver fundamentalt nye strategier til samtidig at behandle og kommunikere kvanteinformation på en chip.

"En af hovedudfordringerne i at skalere kvantecomputere er at gøre det muligt for kvantebits at interagere med hinanden, når de ikke er placeret sammen, " siger William Oliver, en lektor i elektroteknik og datalogi, MIT Lincoln Laboratory fellow, og assisterende direktør for Forskningslaboratoriet for Elektronik. "For eksempel, nærmeste nabo-qubits kan nemt interagere, men hvordan laver jeg 'kvanteforbindelser', der forbinder qubits på fjerne steder?"

Svaret ligger i at gå ud over konventionelle lys-stof-interaktioner.

Mens naturlige atomer er små og punktlignende med hensyn til bølgelængden af ​​lys, de interagerer med, i et papir offentliggjort i tidsskriftet Natur , forskerne viser, at dette ikke behøver at være tilfældet for superledende "kunstige atomer". I stedet, de har konstrueret "gigantiske atomer" ud fra superledende kvantebits, eller qubits, forbundet i en afstembar konfiguration til en mikrobølgetransmissionslinje, eller bølgeleder.

Dette giver forskerne mulighed for at justere styrken af ​​qubit-bølgeleder-interaktionerne, så de skrøbelige qubits kan beskyttes mod dekohærens, eller en slags naturligt henfald, der ellers ville blive fremskyndet af bølgelederen, mens de udfører high-fidelity operationer. Når disse beregninger er udført, styrken af ​​qubit-bølgelederkoblingerne justeres igen, og qubits er i stand til at frigive kvantedata til bølgelederen i form af fotoner, eller lette partikler.

"At koble en qubit til en bølgeleder er normalt ret dårligt for qubit-operationer, da det kan reducere levetiden for qubit betydeligt, " siger Bharath Kannan, MIT graduate fellow og første forfatter af papiret. "Imidlertid, bølgelederen er nødvendig for at frigive og dirigere kvanteinformation gennem hele processoren. Her, vi har vist, at det er muligt at bevare qubittens sammenhæng, selvom den er stærkt koblet til en bølgeleder. Vi har så muligheden for at bestemme, hvornår vi ønsker at frigive den information, der er gemt i qubit. Vi har vist, hvordan gigantiske atomer kan bruges til at tænde og slukke for interaktionen med bølgelederen."

Systemet realiseret af forskerne repræsenterer et nyt regime af lys-stof-interaktioner, siger forskerne. I modsætning til modeller, der behandler atomer som punktlignende objekter, der er mindre end bølgelængden af ​​det lys, de interagerer med, de superledende qubits, eller kunstige atomer, er i det væsentlige store elektriske kredsløb. Når koblet med bølgelederen, de skaber en struktur, der er lige så stor som bølgelængden af ​​det mikrobølgelys, som de interagerer med.

Det gigantiske atom udsender sin information som mikrobølgefotoner på flere steder langs bølgelederen, sådan at fotonerne interfererer med hinanden. Denne proces kan indstilles til fuldstændig destruktiv interferens, hvilket betyder, at oplysningerne i qubit'en er beskyttet. Desuden, selv når ingen fotoner faktisk frigives fra det gigantiske atom, flere qubits langs bølgelederen er stadig i stand til at interagere med hinanden for at udføre operationer. Hele vejen igennem, qubits forbliver stærkt koblet til bølgelederen, men på grund af denne type kvanteinterferens, de kan forblive upåvirkede af det og beskyttes mod dekohærens, mens enkelt- og to-qubit-operationer udføres med høj kvalitet.

"Vi bruger de kvanteinterferenseffekter, som de gigantiske atomer aktiverer til at forhindre qubits i at udsende deres kvanteinformation til bølgelederen, indtil vi har brug for den." siger Oliver.

"Dette giver os mulighed for eksperimentelt at undersøge et nyt fysikregime, som er svært at få adgang til med naturlige atomer, " siger Kannan. "Effekterne af det gigantiske atom er ekstremt rene og nemme at observere og forstå."

Arbejdet ser ud til at have et stort potentiale for yderligere forskning, Kannan tilføjer.

"Jeg tror, ​​at en af ​​overraskelserne faktisk er den relative lethed, hvormed superledende qubits er i stand til at komme ind i dette gigantiske atomregime." han siger. "De tricks, vi brugte, er relativt enkle, og som sådan, man kan forestille sig at bruge dette til yderligere applikationer uden en masse ekstra omkostninger."

Kohærenstiden for qubits inkorporeret i de gigantiske atomer, betyder den tid, de forblev i en kvantetilstand, var cirka 30 mikrosekunder, næsten det samme for qubits, der ikke er koblet til en bølgeleder, som har et interval på mellem 10 og 100 mikrosekunder, ifølge forskerne.

Derudover forskningen viser to-qubit sammenfiltringsoperationer med 94 procent troskab. Dette repræsenterer første gang, forskere har citeret en to-qubit-fidelity for qubits, der var stærkt koblet til en bølgeleder, fordi troværdigheden af ​​sådanne operationer ved hjælp af konventionelle små atomer ofte er lav i en sådan arkitektur. Med mere kalibrering, operationsjusteringsprocedurer og optimeret hardwaredesign, Kannan siger, troskaben kan forbedres yderligere.