_ Noi tehnici de realizare qubiți din erbiu

Qubiții sunt piatra de bază pentru tehnologia cuantică, iar găsirea sau construirea de qubiți care sunt stabili și ușor de manipulat este unul dintre obiectivele centrale ale cercetării tehnologiei cuantice. Oamenii de știință au descoperit că un atom de erbiu – un metal din pământuri rare, folosit uneori în lasere sau pentru a colora sticla – poate fi un qubit foarte eficient.

Pentru a face qubiți de erbiu, atomii de erbiu sunt plasați în „materialele gazdă”. ”, unde atomii de erbiu înlocuiesc unii dintre atomii originali ai materialului. Două grupuri de cercetare – unul la startup-ul cuantic memQ, un partener corporativ al Chicago Quantum Exchange și unul la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA, membru CQE – au folosit diferite materiale gazdă pentru erbiu pentru a avansa tehnologia cuantică, demonstrând versatilitatea acestei tehnologii. un fel de qubit și evidențiind importanța științei materialelor pentru calculul cuantic și comunicarea cuantică.

Cele două proiecte abordează provocările pe care cercetătorii în calculul cuantic au încercat să le rezolve: proiectarea dispozitivelor multi-qubit și extinderea perioadei de timp qubiții pot deține informații.

„Munca pe care aceste două eforturi au făcut-o chiar evidențiază cât de mult contează materialele pentru tehnologia cuantică”, a spus F. Joseph Heremans, om de știință la Argonne, care a fost implicat în ambele proiecte. „Mediul în care locuiește qubitul este la fel de critic ca și qubitul însuși.”

Erbium este popular ca qubit deoarece poate transmite eficient informații cuantice prin același tip de fibră optică care canalizează internetul și liniile telefonice. ; electronii săi sunt, de asemenea, aranjați în așa fel încât să fie deosebit de rezistenți la tipurile de schimbări de mediu care pot face ca un qubit să-și piardă informațiile.

Dar procesul de creștere care introduce erbiul în materialul gazdă împrăștie atomii din materialul într-un mod pe care oamenii de știință nu îl pot controla cu precizie, ceea ce face dificilă proiectarea dispozitivelor multi-qubit. Într-o tehnică complet nouă, oamenii de știință de la memQ au descoperit o soluție: „activarea” doar a anumitor atomi de erbiu cu un laser.

Lucrarea este publicată în revista Applied Physics Letters.

„Nu plasăm de fapt erbiul în locuri specifice, erbiul este împrăștiat în tot materialul”, a spus Sean Sullivan, CTO și co-fondator al memQ, care este absolvent al Duality, acceleratorul cuantic de pornire co-condus de către Centrul Polsky pentru Antreprenoriat și Inovare de la Universitatea din Chicago și CQE, împreună cu partenerii fondatori, Universitatea din Illinois Urbana-Champaign, Argonne și P33.

„Dar folosind un laser, putem schimba cristalul. structura într-o anumită zonă și asta modifică proprietățile erbiului în acea zonă. Așa că selectăm ce erbiu să folosim ca qubiți."

Tehnica se bazează pe proprietățile materialului gazdă, dioxidul de titan. (TiO2). Datorită simetriei sale, o rețea cristalină de TiO2 are două configurații posibile. Un atom de erbiu introdus în rețea va comunica la o frecvență diferită, în funcție de configurația de TiO2 în care se află.

În tehnica memQ, erbiul este împrăștiat într-o peliculă de TiO2 care se află într-o singură configurație. Apoi, un laser de mare putere este concentrat pe cristalul din jurul anumitor atomi de erbiu, distorsionând permanent TiO2 în cealaltă configurație a acestuia numai în acele locații. Acum, atomii de erbiu selectați de laser pot comunica cu toții la aceeași frecvență, separat în întregime de ceilalți.

Noua procedură reprezintă un progres semnificativ în acest domeniu al tehnologiei cuantice, cunoscut sub numele de tehnologie în stare solidă.

„Nu poți folosi qubiți în 100 de locații aleatorii pentru a construi ceva util”, a spus Manish Singh, CEO și co-fondator al memQ. „Cu platforma noastră, putem alege ce erbiu dorim să folosim în aspectul pe care vrem să-l folosim, o capacitate care s-a sustras multă vreme comunității solid state.”

O măsură crucială a eficacitatea unui qubit este timpul său de coerență: cantitatea de timp în care poate reține informația cuantică. Acest lucru este deosebit de important pentru qubiții destinati utilizării ca memorie cuantică, echivalentul cuantic al memoriei clasice de computer. Dar coerența este foarte fragilă – un qubit își poate pierde coerența interacționând cu ceva din mediul său, cum ar fi aerul sau căldura.

Atomii de erbiu pot reține informații cuantice folosind electronii lor, care au o proprietate numită „spin”. " Un nucleu, grupul de protoni și neutroni din centrul unui atom, are, de asemenea, „spin”, iar spinurile electronilor și nucleelor ​​se pot influența reciproc. O modalitate obișnuită prin care un qubit de erbiu își pierde informațiile cuantice este dacă spinul său electron interacționează cu un spin nuclear de la unul dintre atomii din jurul său.

Din acest motiv, cercetătorul Argonne Jiefei Zhang a căutat un material gazdă. pentru erbiu care a avut cel mai mic spin nuclear posibil, dar care ar putea fi fabricat în mod fezabil cu tehnologii mai tradiționale de siliciu. Ea l-a găsit cu un alt oxid, de data aceasta dintr-un element din pământuri rare: dioxidul de ceriu, cunoscut și sub numele de ceria (CeO2).

Ceriul este cel mai abundent element din pământuri rare și este folosit ca un agent oxidant și catalizator în chimia industrială. Spre deosebire de TiO2, care are multiple configurații structurale posibile, CeO2 are doar una și este extrem de simetric. Din această cauză, qubiții de erbiu din CeO2 sunt mai stabili.

„Doi qubiți diferiți de erbiu din ceria vor vedea același mediu cristalin”, a spus Zhang. „Deci este foarte ușor să le controlezi simultan, deoarece vor acționa într-un mod foarte asemănător.”

În special, noua tehnică de localizare dezvoltată de memQ nu este posibilă cu o structură cristalină foarte simetrică precum CeO2— dar Zhang a reușit să vadă timpi de coerență mai lungi de la qubiții de erbiu, cu potențial și mai mult pe măsură ce aceștia continuă să dezvolte experimentul. Lucrarea poate fi găsită pe serverul de pretipărire arXiv.

„Există cu siguranță avantaje și dezavantaje pentru fiecare material, iar acest lucru este foarte comun în domeniul cuantic”, a spus Zhang.

(Fluierul)