Ny metode til at kontrollere qubits kunne fremme kvantecomputere

Kvanteberegning, et felt, der er afhængig af kvantemekanikkens principper til at beregne resultater, har potentialet til at udføre opgaver for komplekse for traditionelle computere og til at gøre det ved høje hastigheder, hvilket på nogle måder gør det til den nye grænse for videnskab og teknik. For at komme til det punkt, hvor kvantecomputere kan opfylde deres forventede ydeevnepotentiale, er der behov for udvikling af storskala kvanteprocessorer og kvantehukommelser. Præcis kontrol af qubits - eller kvantebits, de grundlæggende byggesten i kvantecomputere - er afgørende for at gøre dette, men metoder til at kontrollere qubits har begrænsninger for massiv højdensitetsledning med høj præcision.

Nu har forskere fra Yokohama National University i Japan fundet en måde at præcist kontrollere qubits uden de tidligere begrænsninger. Deres resultater blev offentliggjort i Nature Photonics den 26. juli 2022.

"Mikrobølger bruges normalt til individuel kvantestyring, men individuel ledning af mikrobølgeledninger er påkrævet," sagde papirets korresponderende forfatter Hideo Kosaka, direktør for Quantum Information Research Center i Institute of Advanced Sciences og professor i Institut for Fysik i Graduate School of Engineering ved Yokohama National University. "På den anden side er det muligt at manipulere qubits lokalt, men ikke præcist, med lys."

Kosaka og de andre forskere var i stand til at demonstrere kontrol af qubits ved at manipulere elektronspin gennem en kombination af mikrobølgemanipulation og lokal optisk forskydning af overgangsfrekvenser for atomer og molekyler, en proces kendt som Stark-skiftet, ved hjælp af et nitrogen-fritidscenter - en type punktdefekt - i en diamant. Med andre ord var de i stand til at kombinere optiske metoder baseret på lys fra lasere med mikrobølger for at overvinde de tidligere begrænsninger.

Forskerne var også i stand til at påvise, at denne kontrol af elektronspin igen kunne kontrollere nitrogenatomets nukleare spin i nitrogen-vacancy-centret samt interaktionen mellem elektron- og nuklear spins. Dette er vigtigt, fordi det muliggør præcis kontrol af qubits uden ledningsproblemer.

"Den samtidige bestråling af lys og mikrobølger muliggør individuel og præcis kontrol af qubits uden individuelle ledninger," sagde Kosaka. "Dette har banet vejen for storskala kvanteprocessorer og kvantehukommelser, som er afgørende for udviklingen af ​​storskala kvantecomputere."

Derudover var forskerne i stand til at generere kvantesammenfiltring - en tilstand, hvor partikler eksisterer i samme tilstand, selvom de er fysisk adskilt - mellem elektron- og kernespindene for at forberede en fotontilstand til at overføre til den nukleare spintilstand. Dette giver mulighed for interqubit-forbindelse med fotonen og vil i sidste ende kræve mindre computerkraft og muliggøre overførsel af information til kvanteprocessorer og kvantehukommelser ved princippet om kvanteteleportation.

Den nye metode opfylder alle DiVincenzo-kriterierne, som er de kriterier, der er nødvendige for, at en kvantecomputer kan fungere, og omfatter skalerbarhed, initialisering, måling, universal gate og lang sammenhæng. Det kan også anvendes ud over Stark shift og til andre magnetfeltskemaer for individuelt at manipulere qubits i disse scenarier, og det kan beskytte mod almindelige typer computerfejl, såsom gatefejl eller miljøstøj.

"Årsagen til den forbedrede troskab af vores skema i forhold til alle-optiske skemaer er brugen af ​​en overdreven grad af frihed, der er lettere at kontrollere," sagde Kosaka med henvisning til antallet af variabler, der kan kontrolleres ved hjælp af denne metode.

Ifølge forskerne er dette fremskridt et skridt i retning af kvanteberegning i større skala.

"Ved yderligere at forbedre opløsningen af ​​individuel kvantedrift og sammenfiltringsoperation kan storskala integrerede diamantkvantecomputere, kvantelagringer og kvantesensorer realiseres," sagde Kosaka. "Det vil også forbedre datatransmissionskapaciteten af ​​kvanterepeater-netværk til langdistancekvantekommunikation og distribueret kvantecomputernetværk eller kvanteinternet."

De andre forfattere af papiret var Yuhei Sekiguchi fra Institute of Advanced Sciences ved Yokohama National University, og Kazuki Matsushita og Yoshiki Kawasaki, begge fra Institut for Fysik på Graduate School of Engineering ved Yokohama National University. + Udforsk yderligere

Fejltolerant kvantecomputerhukommelse i diamant