Ny superledende qubit testbed gavner udvikling af kvanteinformationsvidenskab

Hvis du nogensinde har prøvet at føre en samtale i et støjende rum, vil du være i stand til at relatere til videnskabsmænd og ingeniører, der forsøger at "høre" signalerne fra eksperimentelle kvantecomputere kaldet qubits. Disse grundlæggende enheder af kvantecomputere er tidligt i deres udvikling og forbliver temperamentsfulde, underlagt alle former for interferens. Omstrejfende "støj" kan udgive sig som en fungerende qubit eller endda gøre den ubrugelig.

Det er grunden til, at fysiker Christian Boutan og hans kolleger i Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) var i fejringstilstand for nylig, da de viste PNNLs første funktionelle superledende qubit frem. Det er ikke meget at se på. Dens etui - på størrelse med en pakke tyggegummi - er forbundet til ledninger, der sender signaler til et nærliggende panel af brugerdefinerede radiofrekvensmodtagere. Men vigtigst af alt, det er beliggende i en skinnende guldkokon kaldet et fortyndingskøleskab og beskyttet mod vildfarne elektriske signaler. Når køleskabet kører, er det blandt de koldeste steder på Jorden, så meget tæt på det absolutte nulpunkt, mindre end 6 millikelvin (ca. -460 grader F).

Den ekstreme kulde og isolationen forvandler den følsomme superledende enhed til en funktionel qubit og bremser bevægelsen af ​​atomer, der ville ødelægge qubit-tilstanden. Derefter lytter forskerne efter et karakteristisk signal, et blip på deres radiofrekvensmodtagere. Blippen er beslægtet med radarsignaler, som militæret bruger til at opdage tilstedeværelsen af ​​fly. Ligesom traditionelle radarsystemer transmitterer radiobølger og derefter lytter efter tilbagevendende bølger, har fysikerne hos PNNL brugt en lavtemperaturdetektionsteknik til at "høre" tilstedeværelsen af ​​en qubit ved at udsende omhyggeligt udformede signaler og afkode den tilbagevendende besked.

"Du hvisker til qubit'en og lytter til resonatoren," sagde Boutan, der samlede PNNL's første qubit testbed. "Hvis du rammer den rigtige frekvens med et signal sendt til qubit, vil du se toppen af ​​resonatorskiftet. Qubittens tilstand ændrer resonatorfrekvensen. Det er signalskiftet, vi lytter efter."

Dette er ikke direkte måling af kvantesignalet, men snarere at lede efter det spor, det efterlader. En af de mange mærkværdigheder ved kvanteberegning er, at videnskabsmænd ikke kan måle kvantetilstanden direkte. De undersøger snarere dets indvirkning på det strategisk forberedte miljø omkring det. Det er grunden til, at PNNLs ekspertise inden for radiofrekvenstransmission og signaldetektering har været afgørende, sagde Boutan. Enhver ukontrolleret baggrundsstøj kan ødelægge qubit-kohærensen.

Al denne særlige omhu er nødvendig, fordi de kvantesignaler, som forskerholdet forsøger at detektere og registrere, temmelig let kan oversvømmes af konkurrerende "støj" fra en række forskellige kilder, inklusive materialerne i selve qubitten.

Kvantefokus

Det er tidlige dage inden for kvanteberegning. Eksisterende prototyper som den, der opererer i PNNLs fysiklaboratorium, kunne sammenlignes med Macintosh-pc'en, da Apple-grundlæggeren Steve Jobs og hans venner kom ud af deres garage. Bortset fra, at investeringen og indsatsen er meget højere på dette stadie i kvantecomputere-æraen.

Forskere er især fokuseret på kvantecomputeres potentiale til at løse presserende problemer med energiproduktion, brug og bæredygtighed. Det er derfor alene den amerikanske regerings investering udgør mere end 1 milliard dollars gennem National Quantum Initiative og Department of Energy's National Quantum Information Science (QIS) forskningscentre, som er fokuseret på at skubbe videnskaben om kvanteberegning fremad.

PNNL, som bidrager til tre af de fem QIS-centre, arbejder på adskillige aspekter af kvanteinformationsvidenskab, herunder afsløring og eliminering af kilderne til interferens og støj, der kaster qubits ud af den nyttige tilstand kaldet "kohærens", skriver computerkoder, der drage fordel af disse kvantecomputere og forbedre materialedesignet og konstruktionen af ​​selve qubits. Boutans forskning i mikrobølgekvanteregistrering understøttes af PNNL's Laboratory Directed Research and Development-program.

Pleje og fodring af qubits

Superledende qubits er lavet af eksotiske metaller, der reagerer med ilt i atmosfæren og skaber metaloxider. Du har set dette ske, når jern bliver til rust.

"Det er et materialeproblem," sagde Brent VanDevender, en PNNL-fysiker, der arbejder med kilder til interferens i qubits. "Vi kalder dem to-niveau-systemer. Udtrykket refererer til alle de defekter i dit materiale, såsom oxiderne, der kan efterligne qubit-adfærden og stjæle energi."

PNNL materialeforsker Peter Sushko og hans kolleger arbejder på udfordringen med at stoppe qubit "rust" med samarbejdspartnere på Princeton University gennem deres tilknytning til C2QA QIS Center. Der har et team af forskere udviklet en af ​​de mest holdbare qubits, der endnu er rapporteret. Og alligevel dannes der hurtigt metaloxider på den blotlagte overflade af disse superledende qubit-enheder.

I samarbejde med deres Princeton-samarbejdspartnere har Sushko og hans team foreslået en beskyttende belægning, der kan forstyrre ilt i luften, der interagerer med overfladen af ​​qubits og får dem til at oxidere.

"Vores mål er at fjerne uorden og at være kompatibel med den underliggende struktur," sagde Sushko. "Vi ser på et beskyttende lag, der vil sidde ovenpå på en velordnet måde og forhindre oxidation, hvilket minimerer virkningerne af uorden."

Denne forskning bygger på grundlæggende forskning udført af PNNL-materialeforsker Marvin Warner og kolleger. De har opbygget en mængde viden om, hvordan man afskærmer følsomme superledende metalbaserede enheder ved at påføre en mikrobelægning, der effektivt beskytter overfladen mod skader, der kan påvirke ydeevnen.

"Kontrol af overfladekemi for at beskytte et materiales nye kvanteegenskaber er en vigtig tilgang til at udvikle mere stabile og robuste enheder," sagde Warner. "Det spiller perfekt ind i styrkerne ved PNNL som et kemilaboratorium."

Snart vil holdet konstruere den foreslåede løsning i Princeton University Quantum Device Nanofabrication Laboratory. Når den er bygget, vil den gennemgå en række tests. Hvis det lykkes, kan qubit være klar til strenge test af dens levetid, når den står over for qubit-kohærens-ødelæggende bombardement af atmosfærisk stråling, også kendt som kosmiske stråler.

Gå under jorden

Du kan tælle på én hånd antallet af steder i USA, der er oprettet for at studere qubit-troskab i et godt afskærmet underjordisk miljø. Snart vil PNNL være blandt dem. Forberedelserne er godt i gang med at etablere en underjordisk qubit-testfacilitet i PNNL's Shallow Underground Laboratory. Årtiers forskning i virkningerne af ioniserende stråling har forberedt PNNL-forskere til at fastslå, hvor godt kvanteudstyr kan tolerere interferens fra bombardement af naturlige strålingskilder. Her har forskere og teknikere travlt med at sætte et fortyndingskøleskab op, der ligner det i PNNLs fysiklaboratorium.

Inden for et ultrarent rum med verdensførende ultra-rent materialesyntese og ultra-lav baggrundsstrålingsdetektion vil eksperimentelle qubits blive sat igennem deres tempo i et brugerdefineret blyafskærmet miljø, der reducerer eksterne gammastråler med mere end 99 procent.

Inden for året vil PNNL være forberedt på at fuldføre den fulde cyklus af qubit-test, fra design og teori, til mikrofabrikation, til miljøtestning, til implementering med forskningspartnere.

"Fuldt funktionelle kvantecomputere vil kun være nyttige, når de bliver pålidelige," sagde Warner. "Med vores forskningspartnere forbereder vi os i dag på at hjælpe med at indvarsle den æra i dag." + Udforsk yderligere

Udvikling af næste generation af kvantealgoritmer og materialer