Forskere tager skridt mod kvanteoverherredømme

Et russisk-tysk forskerhold har skabt en kvantesensor, der giver adgang til måling og manipulation af individuelle to-niveau defekter i qubits. Undersøgelsen af ​​NUST MISIS, Russian Quantum Center og Karlsruhe Institute of Technology, udgivet i npj Quantum Information , kan bane vejen for kvanteberegning.

I kvanteberegning er informationen kodet i qubits. Qubits (eller kvantebits), den kvantemekaniske analog af en klassisk bit, er sammenhængende systemer i to niveauer. En førende qubit-modalitet i dag er superledende qubits baseret på Josephson-krydset. Det er den slags qubit, IBM og Google bruger i deres kvanteprocessorer. Imidlertid, forskere søger stadig efter den perfekte qubit - en der kan måles og kontrolleres præcist, mens den forbliver upåvirket af omgivelserne.

Nøgleelementet i en superledende qubit er superleder-isolator-superleder Josephson-krydset i nanoskala. En Josephson junction er en tunnel junction lavet af to stykker superledende metal adskilt af en meget tynd isolerende barriere. Den mest anvendte isolator er aluminiumoxid.

Moderne teknikker tillader ikke at bygge en qubit med 100% præcision, resulterer i såkaldte tunneling to-niveau defekter, der begrænser ydeevnen af ​​superledende kvanteenheder og forårsager beregningsfejl. Disse defekter bidrager til en qubits ekstremt korte levetid, eller dekoherens.

Tunnelfejl i aluminiumoxid og på overflader af superledere er en vigtig kilde til fluktuationer og energitab i superledende qubits, i sidste ende begrænser computerens køretid. Jo flere materialefejl der opstår, jo mere de påvirker qubits ydeevne, forårsager flere beregningsfejl, bemærkede forskerne.

Den nye kvantesensor giver adgang til måling og manipulation af individuelle to-niveau defekter i kvantesystemer. Ifølge professor Alexey Ustinov, Leder af Laboratoriet for Superledende Metamaterialer hos NUST MISIS og gruppeleder ved Russian Quantum Center, der var medforfatter til undersøgelsen, selve sensoren er en superledende qubit, og det tillader påvisning og manipulation af individuelle defekter. Traditionelle teknikker til at studere materialestruktur, såsom småvinklet røntgenspredning (SAXS), ikke er følsomme nok til at opdage små individuelle defekter, derfor hjælper det ikke at bygge den bedste qubit ved hjælp af disse teknikker. Undersøgelsen kan åbne veje for kvantematerialespektroskopi for at undersøge strukturen af ​​tunneldefekter og for at udvikle dielektriske stoffer med lavt tab, der er presserende påkrævet for at fremme superledende kvantecomputere, mener forskerne.