Undersøgelse viser den robuste opbevaring af qubits i ultrakolde polære molekyler

Molekyler har en meget indviklet og rig struktur, som giver dem mulighed for at rotere og vibrere frit. Som resultat, de har et næsten ubegrænset rum, hvor dataloger kan indkode kvanteinformation. Ud over deres store indre rum, molekyler er i stand til lang rækkevidde interaktioner og kan således blive viklet ind i andre separate molekyler.

På grund af disse fordelagtige egenskaber, mange ingeniører og fysikere har undersøgt den potentielle brug af molekyler til kvanteberegningsapplikationer. Mens nogle kvantecomputere baseret på molekyler har opnået lovende resultater, forskere har fundet ud af, at qubits lagret i molekyler er modtagelige for dekoherens (dvs. et tab af information, der rejser fra et kvantesystem til dets omgivende miljø).

Forskere ved Durham University i Storbritannien har for nylig udført en undersøgelse med det formål at undersøge potentialet ved at lagre kvanteinformation i ultrakolde polære molekyler. I deres papir, udgivet i Naturfysik , holdet demonstrerede med succes opbevaring af qubits i molekyler, mens de begrænsede dekohærens, hvilket kan have vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​kvantecomputerværktøjer.

"En af de store udfordringer, som alle kvanteberegningsplatforme står over for, er at udvikle tekniske metoder, der undgår at miste kvanteinformation gennem dekohærens, " Philip D. Gregory og Simon L. Cornish, to af de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org via e-mail. "Vores primære mål var derfor at demonstrere, at kvanteinformation kunne lagres i et molekyle i usædvanligt lange tider, derved imødekomme et af kravene til at bygge en kvantecomputer ved hjælp af ultrakolde molekyler."

Det primære formål med det nylige arbejde af Gregory, Cornish og deres kolleger skulle identificere, forstå og i sidste ende eliminere alle eksperimentelt relevante kilder til dekohærens i molekylelagrede qubits. I første omgang, holdet målte sammenhæng i deres kvantesystem ved hjælp af en teknik kendt som Ramsey interferometri ved forskellige tilstande af qubit. De forberedte derefter en superposition af qubit-tilstandene ved hjælp af mikrobølger og tillod systemet at udvikle sig over tid.

"For at teste sammenhængen, vi brugte en anden mikrobølgeimpuls, der fører til faseafhængig interferens mellem statsbefolkningen, " Gregory og Cornish forklarede. "Hvad vi observerede er svingninger i antallet af molekyler i begge tilstande af qubit som funktion af tid, og vi fandt også, at dekohærens er karakteriseret ved en reduktion i amplituden eller kontrasten af ​​disse svingninger."

Ved at bruge deres mikrobølgeimpulsbaserede metode, Gregory, Cornish og deres kolleger var i stand til at undersøge kohærenstiden som en funktion af enhver parameter, der blev brugt i deres eksperiment (f.eks. magnetfeltet eller polariseringen af ​​det indfangende lys), simpelthen ved at ændre værdien af ​​parameteren for perioden mellem mikrobølge -impulserne i Ramsey -sekvensen. Endelig, de sammenlignede deres resultater med en detaljeret model af den roterende og hyperfine struktur af det molekyle, qubits var lagret i. Dette gjorde det muligt for dem at forstå de unikke roller af forskellige interaktioner inden for molekylet, der kan bidrage til systemets tab af sammenhæng.

"Vores vigtigste præstation er elimineringen af ​​dekohærenskilder i vores eksperiment, " sagde Gregory og Cornish. "Dette har konsekvenser for kvanteberegning med ultrakolde molekyler, da kvanteinformation nu kan lagres i meget længere perioder."

I deres eksperiment, forskerne var i stand til at eliminere følsomhed over for magnetfeltstøj ved at identificere et par hyperfine tilstande, som, når de udsættes for et bestemt magnetfelt, har en energiforskel mellem dem, der ikke afhænger af små ændringer i magnetfeltet. Ud over, Gregory, Cornish og deres kolleger afslørede et subtilt tensorlysskifte mellem qubit-tilstandene. Ikke desto mindre, de viste, at dette skift også kunne elimineres ved omhyggeligt at vælge indfangningslaserens polarisationsvinkel.

"Bemærkelsesværdigt, efter at have elimineret alle disse kilder til usammenhæng, vi fandt ud af, at kohærenstiden var meget længere end levetiden for vores molekylære gas (som er begrænset af kollisionstab), "Sagde Gregory og Cornish.

I fremtiden, dette arbejde kunne informere udviklingen af ​​nye kvanteteknologier, der lagrer information inde i molekyler. Ud over, det kan have værdifulde konsekvenser for indsamlingen af ​​målinger, som de teknikker, der blev brugt af Gregory, Cornish og deres kolleger muliggør særligt lange interaktionstider med molekyler. Dette betyder, at det kan bruges til at indsamle meget præcise målinger ved hyperfine tilstande af molekyler, hvilket igen kunne udvide den nuværende forståelse af deres interne struktur.

"Gate-operationer med ultrakolde molekyler er mulige ved hjælp af resonante dipol-dipol-interaktioner, " sagde Gregory og Cornish. "Sådanne interaktioner kan tilgås ved hjælp af molekylets rotationstilstande. Vi er i øjeblikket ved at udvikle en roterende magisk fælde, hvor lysforskydningen af ​​jorden og de første rotationsopspændte tilstande vil være identiske. En sådan fælde vil understøtte lang sammenhæng mellem rotationstilstande, hvilket vil være vigtigt for implementering af high fidelity-indfiltringsporte, såvel som at studere modeller, der er relevante for kvantemagnetisme."

Til adskillige kvanteberegningsapplikationer, brugen af ​​ultrakolde molekyler er kun mulig, hvis molekyler er begrænset inden for et kontrollerbart rumligt array og kan overvåges og tilgås individuelt. Gregory, Cornish og deres kolleger arbejder således nu også på en strategi for at indlæse molekyler i optiske gitter og samle individuelle molekyler i arrays, gemme dem inden for optiske pincetter.

"Isolering af molekylerne på denne måde vil også forhindre kollisioner mellem molekyler, " Gregory og Cornish tilføjede. "Dette vil øge den tilgængelige interaktionstid yderligere og vil give os mulighed for at sætte bedre grænser for sammenhængstiden i fremtiden."

© 2021 Science X Network