Fejltolerant kvantecomputerhukommelse i diamant

Quantum computing rummer potentialet til at være en fremtidsteknologi, der ændrer spil, inden for områder lige fra kemi til kryptografi til finansiering til lægemidler. Sammenlignet med konventionelle computere antyder videnskabsmænd, at kvantecomputere kunne fungere mange tusinde gange hurtigere. For at udnytte denne kraft kigger videnskabsmænd i dag på måder at konstruere kvantecomputernetværk. Fejltolerant kvantehukommelse, som reagerer godt, når der opstår hardware- eller softwarefejl, vil spille en vigtig rolle i disse netværk. Et forskerhold fra Yokohama National University udforsker kvantehukommelse, der er modstandsdygtig over for drifts- eller miljøfejl.

Forskerholdet rapporterede deres resultater den 27. april 2022 i tidsskriftet Communications Physics .

For at kvantecomputere kan nå deres fulde potentiale, skal forskere være i stand til at konstruere kvantenetværk. I disse netværk er fejltolerant kvantehukommelse essentiel. Når videnskabsmænd manipulerer spin-kvantehukommelse, er et magnetfelt påkrævet. Det magnetiske felt hindrer integrationen med de superledende kvantebits eller qubits. Qubits i kvanteberegning er grundlæggende informationsenheder, der ligner de binære cifre eller bits i konventionelle computere.

For at opskalere en kvantecomputer baseret på superledende qubits skal forskerne operere under et nul magnetfelt. I deres søgen efter at fremme teknologien mod en fejltolerant kvantecomputer, undersøgte forskerholdet nitrogen-ledige centre i diamant. Nitrogen-ledige centre lover i en række applikationer, herunder kvanteberegning. Ved at bruge et diamantkvælstof-vacancycenter med to nukleare spins af de omgivende kulstofisotoper demonstrerede holdet kvantefejlkorrektion i kvantehukommelsen. De testede en tre-qubit kvantefejlskorrektion mod både en bit-flip- eller phase-flip-fejl under et magnetfelt nul. Bit-flip- eller phase-flip-fejlene kan opstå, når der er ændringer i magnetfeltet. For at opnå et magnetfelt på nul brugte holdet en tredimensionel spole til at udligne det resterende magnetfelt, inklusive det geomagnetiske felt. Denne kvantehukommelse er fejlkorrektionskodet til at rette fejl automatisk, når de opstår.

Tidligere forskning havde påvist kvantefejlkorrektion, men det hele blev udført under relativt stærke magnetfelter. Forskerholdet fra Yokohama National University er det første til at demonstrere kvantedriften af ​​elektron- og kernespind i fravær af et magnetfelt.

"Kvantefejlkorrektionen gør kvantehukommelsen modstandsdygtig over for drifts- eller miljøfejl uden behov for magnetiske felter og åbner en vej mod distribueret kvanteberegning og et kvanteinternet med hukommelsesbaserede kvantegrænseflader eller kvanterepeatere," siger Hideo Kosaka, professor ved Yokohama University og hovedforfatter på undersøgelsen.

Holdets demonstration kan anvendes til konstruktionen af ​​en distribueret kvantecomputer i stor skala og et langdistancekvantekommunikationsnetværk ved at forbinde kvantesystemer, der er sårbare over for et magnetfelt, såsom superledende qubits med spin-baserede kvantehukommelser. Ser vi fremad, har forskerholdet planer om at tage teknologien et skridt videre. "Vi ønsker at udvikle en kvantegrænseflade mellem superledende og fotoniske qubits for at realisere en fejltolerant kvantecomputer i stor skala," sagde Kosaka. + Udforsk yderligere

Defekte diamanter kan give den perfekte grænseflade til kvantecomputere