Forskere bygger en ny enhed, der er grundlaget for kvanteberegning

Forskere ledet af University of Massachusetts Amherst har tilpasset en enhed kaldet en mikrobølgecirkulator til brug i kvantecomputere, hvilket giver dem mulighed for for første gang præcist at indstille den nøjagtige grad af ikke-gensidighed mellem en qubit, den grundlæggende enhed for kvanteberegning og en mikrobølge. -resonanshulrum.

Evnen til præcist at indstille graden af ​​ikke-gensidighed er et vigtigt værktøj at have i kvanteinformationsbehandling. Derved udledte holdet, inklusive samarbejdspartnere fra University of Chicago, en generel og bredt anvendelig teori, der forenkler og udvider ældre forståelser af ikke-gensidighed, så fremtidigt arbejde med lignende emner kan drage fordel af holdets model, selv når man bruger forskellige komponenter og platforme.

Forskningen er publiceret i Science Advances .

Quantum computing adskiller sig fundamentalt fra den bit-baserede computing, vi alle laver hver dag. En bit er et stykke information, der typisk udtrykkes som et 0 eller et 1. Bits er grundlaget for al den software, hjemmesider og e-mails, der udgør vores elektroniske verden.

I modsætning hertil er kvanteberegning baseret på "kvantebits" eller "qubits", som er ligesom almindelige bits, bortset fra at de er repræsenteret af "kvantesuperpositionen" af to tilstande af et kvanteobjekt. Stof i en kvantetilstand opfører sig meget forskelligt, hvilket betyder, at qubits ikke er henvist til kun at være 0'ere eller 1'ere - de kan være begge på samme tid på en måde, der lyder som magi, men som er veldefineret af kvantelovene mekanik. Denne egenskab ved kvantesuperposition fører til kvantecomputeres øgede kraftkapacitet.

Desuden kan en egenskab kaldet "ikke-gensidighed" skabe yderligere muligheder for kvanteberegning for at udnytte potentialet i kvanteverdenen.

"Forestil dig en samtale mellem to mennesker," siger Sean van Geldern, kandidatstuderende i fysik ved UMass Amherst og en af ​​avisens forfattere. "Total gensidighed er, når hver af personerne i den samtale deler lige meget information. Ikke-gensidighed er, når den ene person deler en lille smule mindre end den anden."

"Dette er ønskværdigt inden for kvanteberegning," siger seniorforfatter Chen Wang, assisterende professor i fysik ved UMass Amherst, "fordi der er mange computerscenarier, hvor du vil give masser af adgang til data uden at give nogen mulighed for at ændre eller forringe det. data."

For at kontrollere ikke-gensidighed kørte hovedforfatteren Ying-Ying Wang, kandidatstuderende i fysik ved UMass Amherst, og hendes medforfattere en række simuleringer for at bestemme design og egenskaber, som deres cirkulator skulle have, for at de kunne variere dens ikke-gensidighed. De byggede derefter deres cirkulator og kørte et væld af eksperimenter, ikke bare for at bevise deres koncept, men for at forstå præcis, hvordan deres enhed muliggjorde ikke-gensidighed.

I løbet af at gøre det, var de i stand til at revidere deres model, som indeholdt 16 parametre, der beskriver, hvordan man bygger deres specifikke enhed, til en enklere og mere generel model med kun seks parametre. Denne reviderede, mere generelle model er meget mere nyttig end den oprindelige, mere specifikke, fordi den er bredt anvendelig til en række fremtidige forskningsindsatser.

Den "integrerede ikke-gensidige enhed", som holdet byggede, ligner et "Y." I midten af ​​"Y"et er cirkulatoren, som er som en trafikrundkørsel for mikrobølgesignalerne, der medierer kvanteinteraktionerne. Et af benene er hulrumsporten, et resonans superledende hulrum, der er vært for et elektromagnetisk felt. Et andet ben af ​​"Y"'et holder qubit'en, trykt på en safirchip. Det sidste ben er udgangsporten.

"Hvis vi varierer det superledende elektromagnetiske felt ved at bombardere det med fotoner," siger Ying-Ying Wang, "kan vi se, at den qubit reagerer på en forudsigelig og kontrollerbar måde, hvilket betyder, at vi kan justere præcis, hvor meget gensidighed vi ønsker. Den forenklede model, som vi producerede, beskriver vores system på en sådan måde, at de eksterne parametre kan beregnes for at justere en nøjagtig grad af ikke-gensidighed."

"Dette er den første demonstration af indlejring af ikke-receptivitet i en kvantecomputerenhed," siger Chen Wang, "og det åbner døren til konstruktion af mere sofistikeret kvantecomputerhardware."

Flere oplysninger: Ying-Ying Wang et al., Dispersiv ikke-gensidighed mellem en qubit og en kavitet, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj8796

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Massachusetts Amherst