_ Utilizare elegantă de zgomot pentru calculul cuantic

Oamenii de știință din întreaga lume lucrează din greu pentru a spăla sistemele cuantice pentru zgomot, ceea ce poate perturba funcționarea computerelor cuantice puternice de mâine. Cercetătorii de la Institutul Niels Bohr (NBI) au găsit o modalitate de a folosi zgomotul pentru a procesa informații cuantice. Acest lucru crește performanța unității de calcul cuantic, qubitul.

O colaborare internațională condusă de oameni de știință de la Institutul Niels Bohr (NBI), Universitatea din Copenhaga, a demonstrat o abordare alternativă. Metoda lor permite utilizarea zgomotului pentru a procesa informații cuantice. Drept urmare, performanța unității fundamentale de calcul cuantic de informații, qubitul, este crescută cu 700%.

Aceste rezultate sunt publicate în revista Nature Communications.

„Avoiding” zgomotul din sistemele cuantice s-a dovedit a fi dificil, deoarece aproape orice schimbare a mediului poate strica lucrurile. De exemplu, sistemul dvs. poate funcționa la un anumit câmp magnetic sau electric, iar dacă acel câmp se modifică doar puțin, efectele cuantice se destramă.

„Sugerăm o abordare complet diferită. În loc să scăpăm de zgomot, folosim supravegherea continuă a zgomotului în timp real și adaptăm sistemul pe măsură ce se produc schimbări în mediu”, spune cercetător doctor la NBI Fabrizio Berritta, autorul principal al studiului.

Noua abordare este posibilă datorită dezvoltărilor recente din mai multe domenii de înaltă tehnologie.

„Anterior, să zicem acum 20 de ani, ar fi fost posibil să se vizualizeze fluctuațiile după experiment, dar ar fi fost prea lent pentru a utiliza aceste informații în timpul experimentului propriu-zis. Folosim tehnologia FPGA [field-programable-gate-array] pentru a obține măsurătorile în timp real. Și mai departe, folosim învățarea automată pentru a accelera analiza”, explică Berritta.

„Întreaga idee este să obținem măsurătorile și să facem analiza în același microprocesor care ajustează sistemul în timp real. Altfel, schema nu ar fi suficient de rapidă pentru aplicațiile de calcul cuantic.”

În calculul actual, unitatea de bază a informațiilor transferabile, cunoscută sub numele de bit, este legată de sarcina electronilor. Poate avea doar una dintre cele două valori, una sau zero – fie că există electroni, fie că nu există. Unitatea de calcul cuantică corespunzătoare – cunoscută sub numele de qubit – va putea să asume mai mult de două valori.

Vantitatea de informații conținutul per qubit va crește exponențial odată cu numărul de proprietăți cuantice pe care le puteți controla, poate rezulta într-o zi computere care sunt uimitor de mai puternice decât computerele convenționale.

O piatră de temelie a mecanicii cuantice este pentru particulele elementare nu doar să aibă o masă și o sarcină, ci și un spin. Un alt termen cheie este încurcarea. Aici, două sau mai multe particule interacționează în așa fel încât starea cuantică a unei singure particule nu poate fi descrisă independent de starea altele.

Protocolul din spatele noilor descoperiri integrează un qubit de spin singlet-triplet implementat într-un punct cuantic dublu cu arseniu de galiu cu controlere qubit alimentate de FPGA. Qubitul implică doi electroni, cu stările ambilor electroni încurcate.

Efort de echipă interdisciplinară

La fel ca alți qubiți de spin, qubitul singlet-triplet este vulnerabil chiar și la micile perturbări ale acestora. mediu inconjurator. Fizicienii folosesc termenul „zgomot”, care nu trebuie luat literal ca zgomot acustic. În ceea ce privește sistemele cuantice, perturbațiile cum ar fi fluctuațiile câmpului electric sau magnetic pot strica stările cuantice de interes.

Pentru a demonstra utilizarea benefică a fluctuațiilor de mediu, cercetătorii au ales acest qubit, deoarece cuplarea sa atât cu zgomotul magnetic, cât și cu zgomotul electric este bine înțeleasă dintr-o serie de studii anterioare la NBI, conduse de profesorul Ferdinand Kuemmeth, la rubrica un grup de cercetare privind dispozitivele cuantice semiconductoare și supraconductoare la NBI.

Noul studiu a reunit grupuri de cercetare de la NBI, Universitatea Purdue, Universitatea Norvegiană de Știință și Tehnologie, companiile QDevil (Copenhaga) și Quantum Machines (Tel Aviv) într-o gamă largă de domenii, cum ar fi materialele qubit, fabricarea qubitului, hardware-ul de control al qubitului, teoria informației cuantice și învățarea automată.

„Această colaborare ilustrează faptul că dezvoltarea computerelor cuantice nu mai este o activitate care poate fi condusă de grupuri individuale de fizică. Îndepărtați oricare dintre partenerii noștri, iar această lucrare nu ar fi fost posibilă”, spune Kuemmeth.

Cercetătorii văd noul protocol ca o piatră de hotar către dezvoltarea cuanticei. computere, dar și să realizăm că multe alte etape trebuie atinse.

„Următorul pas pentru noi va fi să aplicăm protocolul nostru la sisteme de materiale diferite și cu mai mult de un qubit”, spune Berritta. „Nu pot spune când vom vedea primul computer cuantic cu adevărat util. Poate peste 10 ani.

„În orice caz, credem că am venit cu o abordare promițătoare. Mulți colegi se concentrează pe eliminarea zgomotului pentru a dezvolta qubiți mai buni, de exemplu prin îmbunătățirea calității materialelor utilizate pentru fabricarea qubiților. Am demonstrat că în anumite condiții se poate ajusta în mod activ pentru o parte din zgomot. Acest lucru ar putea fi relevant pentru alte tipuri de qubiți în afară de tipul din studiul nostru."

(Fluierul)