Opbygning af en bedre kvantebit:Nyt qubit-gennembrud kunne transformere kvanteberegning

Du ser uden tvivl denne artikel på en digital enhed, hvis grundlæggende informationsenhed er bit, enten 0 eller 1. Forskere verden over er i kapp med at udvikle en ny slags computer baseret på brugen af ​​kvantebits eller qubits, som samtidigt kan være 0 og 1 og kunne en dag løse komplekse problemer ud over enhver klassisk supercomputer.

Et hold ledet af forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har i tæt samarbejde med FAMU-FSU College of Engineering Associate Professor of Mechanical Engineering Wei Guo annonceret oprettelsen af ​​en ny qubit-platform, der viser store løfter til udvikles til fremtidige kvantecomputere. Deres arbejde er udgivet i Nature .

"Kvantecomputere kunne være et revolutionerende værktøj til at udføre beregninger, der er praktisk talt umulige for klassiske computere, men der er stadig arbejde at gøre for at gøre dem til virkelighed," sagde Guo, en papirmedforfatter. "Med denne forskning tror vi, at vi har et gennembrud, der går langt hen imod at lave qubits, der hjælper med at realisere denne teknologis potentiale."

Holdet skabte sin qubit ved at fryse neongas til et fast stof ved meget lave temperaturer, sprøjte elektroner fra en pære på det faste stof og fange en enkelt elektron der.

Mens der er mange valg af qubit-typer, valgte holdet den enkleste - en enkelt elektron. Opvarmning af en simpel lysglødetråd, som du måske finder i et barns legetøj, kan nemt skyde en grænseløs forsyning af elektroner ud.

En vigtig kvalitet for qubits er deres evne til at forblive i en samtidig 0- eller 1-tilstand i lang tid, kendt som dens "kohærenstid". Den tid er begrænset, og grænsen bestemmes af den måde, hvorpå qubits interagerer med deres miljø. Fejl i qubit-systemet kan reducere kohærenstiden betydeligt.

Af den grund valgte holdet at fange en elektron på en ultraren solid neonoverflade i et vakuum. Neon er et af kun seks inerte elementer, hvilket betyder, at det ikke reagerer med andre elementer.

"På grund af denne træghed kan solid neon tjene som det renest mulige faste stof i et vakuum til at være vært for og beskytte eventuelle qubits mod at blive forstyrret," sagde Dafei Jin, en Argonne-forsker og projektets hovedforsker.

Ved at bruge en superledende resonator i chip-skala – som en miniaturemikrobølgeovn – var holdet i stand til at manipulere de fangede elektroner, så de kunne læse og gemme information fra qubit, og dermed gøre den nyttig til brug i fremtidige kvantecomputere.

Tidligere forskning brugte flydende helium som medium til at holde elektroner. Det materiale var let at lave fri for defekter, men vibrationer af den væskefri overflade kunne let forstyrre elektrontilstanden og dermed kompromittere qubittens ydeevne.

Solid neon tilbyder et materiale med få defekter, der ikke vibrerer som flydende helium. Efter at have bygget deres platform udførte holdet qubit-operationer i realtid ved hjælp af mikrobølgefotoner på en fanget elektron og karakteriserede dens kvanteegenskaber. Disse test viste, at solid neon gav et robust miljø for elektronen med meget lav elektrisk støj til at forstyrre den. Vigtigst er det, at qubit'en opnåede kohærenstider i kvantetilstanden konkurrerende med andre state-of-the-art qubits.

Enkelheden af ​​qubit-platformen burde også egne sig til enkel, billig fremstilling, sagde Jin.

Løftet om kvanteberegning ligger i denne næste generations teknologis evne til at beregne visse problemer meget hurtigere end klassiske computere. Forskere sigter mod at kombinere lange sammenhængstider med flere qubits evne til at linke sammen - kendt som entanglement. Kvantecomputere kunne derved finde svarene på problemer, som det ville tage en klassisk computer mange år at løse.

Overvej et problem, hvor forskere ønsker at finde den laveste energikonfiguration af et protein lavet af mange aminosyrer. Disse aminosyrer kan foldes på billioner af måder, som ingen klassisk computer har hukommelsen til at håndtere. Med kvanteberegning kan man bruge entangled qubits til at skabe en superposition af alle foldekonfigurationer – hvilket giver mulighed for at kontrollere alle mulige svar på samme tid og løse problemet mere effektivt.

"Forskere skulle bare lave en beregning i stedet for at prøve billioner af mulige konfigurationer," sagde Guo. + Udforsk yderligere

Første hybrid kvantebit baseret på topologiske isolatorer