Fysikere tager spring i udlæsning af qubits med laserlys

Qubits er en grundlæggende byggesten til kvantecomputere, men de er også notorisk skrøbelige - vanskelige at observere uden at slette deres information i processen. Nu kan ny forskning fra University of Colorado Boulder og National Institute of Standards and Technology (NIST) være et spring fremad for at håndtere qubits med en let berøring.

I undersøgelsen demonstrerede et hold fysikere, at det kunne udlæse signalerne fra en type qubit kaldet en superledende qubit ved hjælp af laserlys og uden at ødelægge qubit på samme tid.

Gruppens resultater kan være et stort skridt i retning af at opbygge et kvante-internet, siger forskerne. Et sådant netværk ville forbinde snesevis eller endda hundredvis af kvantechips, hvilket giver ingeniører mulighed for at løse problemer, der er uden for rækkevidde af selv de hurtigste supercomputere i dag. De kunne også teoretisk set bruge et lignende sæt værktøjer til at sende ubrydelige koder over lange afstande.

Undersøgelsen, som vises den 15. juni i tidsskriftet Nature , blev ledet af JILA, et fælles forskningsinstitut mellem CU Boulder og NIST.

"I øjeblikket er der ingen måde at sende kvantesignaler mellem fjerntliggende superledende processorer, ligesom vi sender signaler mellem to klassiske computere," sagde Robert Delaney, hovedforfatter af undersøgelsen og en tidligere kandidatstuderende ved JILA.

Delaney forklarede, at de traditionelle bits, der kører din bærbare computer, er ret begrænsede:De kan kun antage en værdi på nul eller én, de tal, der ligger til grund for de fleste computerprogrammering til dato. Qubits, i modsætning hertil, kan være nuller, etaller eller, gennem en egenskab kaldet "superposition", eksistere som nuller og etaller på samme tid.

Men at arbejde med qubits er også lidt som at prøve at fange et snefnug i din varme hånd. Selv den mindste forstyrrelse kan kollapse denne superposition og få dem til at ligne normale stykker.

I den nye undersøgelse viste Delaney og hans kolleger, at de kunne komme uden om den skrøbelighed. Holdet bruger et wafertyndt stykke silicium og nitrogen til at omdanne signalet, der kommer ud af en superledende qubit, til synligt lys – den samme slags lys, som allerede bærer digitale signaler fra by til by gennem fiberoptiske kabler.

"Forskere har lavet eksperimenter for at udvinde optisk lys fra en qubit, men det er en udfordring ikke at forstyrre qubitten i processen," siger studiemedforfatter Cindy Regal, JILA-stipendiat og lektor i fysik ved CU Boulder.

Kvantespring

Der er mange forskellige måder at lave en qubit på, tilføjede hun.

Nogle videnskabsmænd har samlet qubits ved at fange et atom i laserlys. Andre har eksperimenteret med at indlejre qubits i diamanter og andre krystaller. Virksomheder som IBM og Google er begyndt at designe kvantecomputerchips ved hjælp af qubits lavet af superledere.

Superledere er materialer, som elektroner kan speede rundt uden modstand. Under de rette omstændigheder vil superledere udsende kvantesignaler i form af bittesmå partikler af lys, eller "fotoner", der oscillerer ved mikrobølgefrekvenser.

Og det er her problemet starter, sagde Delaney.

For at sende den slags kvantesignaler over lange afstande, skulle forskere først konvertere mikrobølgefotoner til synligt lys eller optiske fotoner - som kan suse i relativ sikkerhed gennem netværks fiberoptiske kabler på tværs af byen eller endda mellem byer. Men når det kommer til kvantecomputere, er det vanskeligt at opnå denne transformation, sagde undersøgelsens medforfatter Konrad Lehnert.

Til dels skyldes det, at et af de vigtigste værktøjer, du skal bruge for at omdanne mikrobølgefotoner til optiske fotoner, er laserlys, og lasere er nemesis af superledende qubits. Hvis selv en omstrejfende foton fra en laserstråle rammer din qubit, vil den slette fuldstændigt.

"Qubits skrøbelighed og den væsentlige inkompatibilitet mellem superledere og laserlys forhindrer normalt denne form for udlæsning," sagde Lehnert, en NIST- og JILA-stipendiat.

Hemmelige koder

For at komme uden om den forhindring vendte holdet sig mod en mellemting:et tyndt stykke materiale kaldet en elektro-optisk transducer.

Delaney forklarede, at holdet begynder med at zappe den wafer, som er for lille til at se uden et mikroskop, med laserlys. Når mikrobølgefotoner fra en qubit støder ind i enheden, slingrer den og spytter flere fotoner ud - men disse svinger nu med en helt anden frekvens. Mikrobølgelys går ind, og synligt lys kommer ud

I den seneste undersøgelse testede forskerne deres transducer ved hjælp af en rigtig superledende qubit. De opdagede, at det tynde materiale kunne opnå denne switcheroo og samtidig effektivt holde de dødelige fjender, qubits og lasere, isoleret fra hinanden. Med andre ord lækkede ingen af ​​fotonerne fra laserlyset tilbage for at forstyrre superlederen.

"Vores elektro-optiske transducer har ikke meget effekt på qubit," sagde Delaney.

Holdet er ikke nået til det punkt, hvor det kan transmittere faktisk kvanteinformation gennem sin transducer. Blandt andre problemer er enheden endnu ikke særlig effektiv. Det tager i gennemsnit omkring 500 mikrobølgefotoner at producere en enkelt synlig lysfoton.

Forskerne arbejder i øjeblikket på at forbedre denne sats. Når de gør det, kan nye muligheder dukke op i kvanteverdenen. Forskere kunne teoretisk set bruge et lignende sæt værktøjer til at sende kvantesignaler over kabler, der automatisk ville slette deres information, når nogen forsøger at lytte med.

Mission Impossible lavet til virkelighed, med andre ord, og alt takket være den følsomme qubit. + Udforsk yderligere

Optisk fiber kunne øge kraften i superledende kvantecomputere