Forskere står over for store forhindringer inden for kvanteberegning

I en række papirer, Rochester-forskere rapporterer om store fremskridt i at forbedre overførslen af ​​information i kvantesystemer.

Kvantevidenskab har potentialet til at revolutionere moderne teknologi med mere effektive computere, meddelelse, og føleapparater. Men der er stadig udfordringer med at nå disse teknologiske mål, især når det kommer til effektiv overførsel af information i kvantesystemer.

Bits bruges til at repræsentere information i almindelige computere. kvantecomputere, på den anden side, er baseret på kvantebits, også kendt som qubits, som kan laves af en enkelt elektron.

I modsætning til almindelige transistorer, som kan være enten "0" (fra) eller "1" (til), qubits kan være både "0" og "1" på samme tid. Individuelle qubits evne til at besætte disse såkaldte superpositionstilstande, hvor de er i flere tilstande samtidigt, ligger til grund for kvantecomputeres store potentiale. Ligesom almindelige computere, imidlertid, kvantecomputere har brug for en måde at overføre kvanteinformation mellem fjerntliggende qubits - og det udgør en stor eksperimentel udfordring.

I en række artikler udgivet i Naturkommunikation , forskere ved University of Rochester, herunder John Nichol, en assisterende professor i fysik og astronomi, og kandidatstuderende Yadav Kandel og Haifeng Qiao, hovedforfatterne til papirerne, rapportere om store fremskridt med hensyn til at forbedre kvanteberegning ved at forbedre overførslen af ​​information mellem elektroner i kvantesystemer.

I et papir, forskerne demonstrerede en rute til at overføre information mellem qubits, kaldet adiabatisk kvantetilstandsoverførsel (AQT), for første gang med elektron-spin-qubits. I modsætning til de fleste metoder til at overføre information mellem qubits, som er afhængige af omhyggeligt indstillede elektriske eller magnetiske feltimpulser, AQT er ikke så påvirket af pulsfejl og støj.

For at forestille sig, hvordan AQT fungerer, forestil dig, at du kører din bil og vil parkere den. Hvis du ikke bremser på det rigtige tidspunkt, bilen vil ikke være, hvor du vil have den, med potentielle negative konsekvenser. I denne forstand, kontrolimpulserne - gas- og bremsepedalerne - til bilen skal indstilles omhyggeligt. AQT er anderledes ved, at det ikke er ligegyldigt, hvor længe du trykker på pedalerne eller hvor hårdt du trykker på dem:bilen ender altid på det rigtige sted. Som resultat, AQT har potentialet til at forbedre overførslen af ​​information mellem qubits, hvilket er afgørende for kvantenetværk og fejlkorrektion.

Forskerne demonstrerede AQT's effektivitet ved at udnytte sammenfiltring - et af de grundlæggende begreber inden for kvantefysik, hvor egenskaberne af en partikel påvirker egenskaberne af en anden, selv når partiklerne er adskilt af en stor afstand. Forskerne var i stand til at bruge AQT til at overføre en elektrons kvantespintilstand over en kæde af fire elektroner i halvlederkvanteprikker - bittesmå, nanoskala halvledere med bemærkelsesværdige egenskaber. Dette er den længste kæde, som en spin-tilstand nogensinde er blevet overført over, binde rekorden sat af forskerne i en tidligere Natur papir.

"Fordi AQT er robust mod pulsfejl og støj, og på grund af dets store potentielle anvendelser inden for kvantecomputere, denne demonstration er en vigtig milepæl for kvanteberegning med spin-qubits, "Siger Nichol.

Udnytter en mærkelig tilstand

I et andet papir, forskerne demonstrerede en anden teknik til at overføre information mellem qubits, ved hjælp af en eksotisk tilstand af stof kaldet tidskrystaller. En tidskrystal er en mærkelig tilstand, hvor interaktioner mellem partiklerne, der udgør krystallen, kan stabilisere systemets svingninger i ubestemt tid. Forestil dig et ur, der bliver ved med at tikke for evigt; urets pendul svinger i tiden, meget som den oscillerende tidskrystal.

Ved at implementere en række elektriske feltpulser på elektroner, forskerne var i stand til at skabe en tilstand, der ligner en tidskrystal. De fandt ud af, at de så kunne udnytte denne tilstand til at forbedre overførslen af ​​en elektrons spintilstand i en kæde af halvlederkvanteprikker.

"Vores arbejde tager de første skridt mod at vise, hvor mærkelige og eksotiske tilstande af stof, som tidskrystaller, kan potentielt bruges til kvanteinformationsbehandlingsapplikationer, såsom overførsel af information mellem qubits, " siger Nichol. "Vi viser også teoretisk, hvordan dette scenarie kan implementere andre enkelt- og multi-qubit-operationer, der kunne bruges til at forbedre ydeevnen af ​​kvantecomputere."

Både AQT og tidskrystaller, mens anderledes, kunne bruges samtidigt med kvantecomputersystemer for at forbedre ydeevnen.

"Disse to resultater illustrerer de mærkelige og interessante måder, hvorpå kvantefysikken tillader, at information sendes fra et sted til et andet, hvilket er en af ​​hovedudfordringerne i at konstruere levedygtige kvantecomputere og netværk, " siger Nichol.