Solid-state qubits:Glem alt om at være ren, omfavn rod

Nye resultater afkræfter tidligere visdom om, at solid-state qubits skal være superfortyndet i et ultrarent materiale for at opnå lang levetid. Promp i stedet masser af sjældne jordarters ioner ind i en krystal, og nogle vil danne par, der fungerer som meget sammenhængende qubits, viser papir i Nature Physics .

Rene linjer og minimalisme, eller vintage shabby chic? Det viser sig, at de samme tendenser, som optager indretningens verden, er essentielle, når det kommer til at designe byggestenene i kvantecomputere.

Hvordan man laver qubits, der bevarer deres kvanteinformation længe nok til at være nyttige, er en af ​​de største barrierer for praktisk kvanteberegning. Det er almindeligt accepteret, at nøglen til qubits med lang levetid, eller 'sammenhænge', er renlighed. Qubits mister kvanteinformation gennem en proces kendt som dekohærens, når de begynder at interagere med deres miljø.

Så den konventionelle visdom siger, hold dem væk fra hinanden og fra andre forstyrrende påvirkninger, og de vil forhåbentlig overleve lidt længere.

I praksis er en sådan 'minimalistisk' tilgang til qubit-design problematisk. Det er ikke let at finde egnede ultrarene materialer. Ydermere gør det at fortynde qubits til det ekstreme udfordrende opskalering af enhver resulterende teknologi. Nu viser overraskende resultater fra forskere ved Paul Scherrer Institute PSI, ETH Zurich og EPFL, hvordan qubits med lang levetid kan eksistere i et rodet miljø.

"I det lange løb, hvordan man laver det på en chip er et spørgsmål, der er universelt diskuteret for alle typer qubits. I stedet for at fortynde mere og mere, har vi demonstreret en ny vej, hvormed vi kan presse qubits tættere sammen," siger Gabriel Aeppli, leder af Photon Science Division ved PSI og professor ved ETH Zürich og EPFL, der ledede undersøgelsen.

Udvælgelse af ædelstene fra skrammel

Forskerne skabte solid-state qubits fra det sjældne jordarters metal terbium, doteret til krystaller af yttriumlithiumfluorid. De viste, at der i en krystal fyldt med sjældne jordarters ioner var qubit ædelstene med meget længere sammenhænge, ​​end man typisk ville forvente i et så tæt system.

"For en given tæthed af qubits viser vi, at det er en meget mere effektiv strategi at smide de sjældne jordarters ioner i og plukke ædelstenene fra skrammel i stedet for at prøve at adskille de individuelle ioner fra hinanden ved fortynding," forklarer Markus Müller , hvis teoretiske forklaringer var afgørende for at forstå forvirrende observationer.

Ligesom klassiske bits, der bruger 0 eller 1 til at lagre og behandle information, bruger qubits også systemer, der kan eksistere i to tilstande, dog med mulighed for superpositioner. Når qubits skabes fra sjældne jordarters ioner, bruges typisk en egenskab ved de individuelle ioner – såsom kernespin, som kan pege op eller ned – som dette to-statssystem.

Parring giver beskyttelse

Holdet kunne lykkes med en radikalt anderledes tilgang, fordi deres qubits, i stedet for at være dannet af enkelte ioner, dannes af stærkt interagerende ionpar. I stedet for at bruge det nukleare spin af enkelte ioner danner parrene qubits baseret på superpositioner af forskellige elektronskaltilstande.

Inden for krystalmatrixen danner kun nogle få af terbiumionerne par. "Hvis du smider en masse terbium ind i krystallen, er der ved et tilfælde par af ioner - vores qubits. Disse er relativt sjældne, så qubitterne i sig selv er ret fortyndede," forklarer Adrian Beckert, hovedforfatter af undersøgelsen.

Så hvorfor bliver disse qubits ikke forstyrret af deres rodede miljø? Det viser sig, at disse ædelstene ved deres fysiske egenskaber er afskærmet fra skrammel. Fordi de har en anden karakteristisk energi, som de opererer ved, kan de ikke udveksle energi med de enkelte terbiumioner – i bund og grund er de blinde for dem.

"Hvis du laver en excitation på et enkelt terbium, kan det nemt hoppe over til et andet terbium, hvilket forårsager dekohærens," siger Müller. "Men hvis excitationen er på et terbiumpar, er dets tilstand viklet ind, så det lever ved en anden energi og kan ikke hoppe over til de enkelte terbiums. Jeg bliver nødt til at finde et andet par, men det kan det ikke, fordi det næste man er langt væk."

Lyser på qubits

Forskerne faldt over fænomenet qubit-par, da de undersøgte terbium-doteret yttriumlithiumfluorid med mikrobølgespektroskopi. Holdet bruger også lys til at manipulere og måle kvanteeffekter i materialer, og den samme slags qubits forventes at fungere ved de højere frekvenser af optisk laserlys. Dette er interessant, da sjældne jordarters metaller har optiske overgange, som giver en nem vej ind med lys.

"I sidste ende er vores mål også at bruge lys fra X-ray Free Electron Laser SwissFEL eller Swiss Light Source SLS til at se kvanteinformationsbehandling," siger Aeppli. Denne tilgang kunne bruges til at udlæse hele qubit-ensembler med røntgenlys.

I mellemtiden er terbium et attraktivt valg af dopingmiddel:det kan let exciteres af frekvenser i mikrobølgeområdet, der bruges til telekommunikation. Det var under spin-ekkotests – en veletableret teknik til at måle kohærenstider – at holdet bemærkede sjove toppe svarende til meget længere sammenhænge end dem på de enkelte ioner.

"Der var noget uventet på lur," husker Beckert. Med yderligere mikrobølgespektroskopi-eksperimenter og omhyggelig teoretisk analyse kunne de fjerne disse som partilstande.

'Med det rigtige materiale kan sammenhængen blive endnu længere'

Efterhånden som forskerne dykkede ned i arten af ​​disse qubits, kunne de forstå de forskellige måder, hvorpå de blev beskyttet mod deres miljø og søge at optimere dem. Selvom excitationerne af terbium-parrene kan være godt afskærmet fra påvirkningen af ​​andre terbium-ioner, kan de nukleare spins på andre atomer i materialet stadig interagere med qubits og få dem til at dekohere.

For at beskytte qubits yderligere fra deres miljø, anvendte forskerne et magnetisk felt på materialet, der var indstillet til nøjagtigt at udligne virkningen af ​​terbiums nukleare spin i par. Dette resulterede i i det væsentlige ikke-magnetiske qubit-tilstande, som kun var minimalt følsomme over for støj fra de nukleare spins af omgivende "junk"-atomer.

Når først dette beskyttelsesniveau var inkluderet, havde qubit-parrene en levetid på op til hundrede gange længere end enkelte ioner i det samme materiale.

"Hvis vi havde sat os for at lede efter qubits baseret på terbiumpar, ville vi ikke have taget et materiale med så mange nukleare spins," siger Aeppli. "Det, dette viser, er, hvor kraftfuld denne tilgang kan være. Med det rigtige materiale kan sammenhængen blive endnu længere." Bevæbnet med viden om dette fænomen er optimering af matrixen, hvad forskerne nu vil gøre.

Flere oplysninger: Fremkomsten af ​​meget sammenhængende to-niveau systemer i et støjende og tæt kvantenetværk, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02321-y

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Paul Scherrer Institute