Om du bygger en kvantdator med avsikt att göra beräkningar som inte ens är tänkbara med dagens konventionella teknik, du har en hård insats. Fall i punkt:Du går in i nya problem och situationer som är förknippade med grundläggande arbete med nya och komplicerade system samt spetsteknik.

Så är livet för forskarna från Martinis Group vid UC Santa Barbara och Google, Inc., när de utforskar den spännande men också lite kontra-intuitiva världen av kvantberäkning. I en artikel publicerad i tidningen Naturfysik , de och kollegor vid Tulane University i New Orleans visar upp en relativt enkel men ändå komplett plattform för kvantbehandling, integrering av styrningen av tre supraledande qubits.

"Vi undersöker kanten på vår förmåga, "sa tidningens huvudförfattare, Pedram Roushan. Det har gjorts en hel del ansträngningar för att bygga och studera enskilda delar av en kvantprocessor, han förklarade, men just det här projektet innebär att sätta ihop dem alla i en grundläggande byggsten som kan kontrolleras fullt ut och eventuellt skalas upp till en funktionell kvantdator.

Dock, inför en fullt genomförbar kvantdator - med all sin potential för stora, snabba och samtidiga beräkningar - kan göras, uppstår olika och ibland oförutsägbara och spontana omständigheter som måste förstås när forskarna eftersträvar större kontroll och sofistikering av sitt system.

"Du har att göra med partiklar - qubits i det här fallet - som interagerar med varandra, och de interagerar med externa fält, "Roushan sa." Allt detta leder till mycket komplicerad fysik. "

För att hjälpa till att lösa detta problem med många kroppar, han förklarade, deras fullt kontrollerbara kvantbehandlingssystem måste byggas från en enda qubit uppåt, för att ge forskarna möjligheter att tydligare förstå staterna, beteenden och interaktioner som kan uppstå.

Genom att konstruera pulssekvenserna som används för att manipulera fotonerna i deras system, forskarna skapade ett artificiellt magnetfält som påverkar deras slutna slinga av tre qubits, gör att fotonerna interagerar starkt med inte bara varandra, men också med det pseudomagnetiska fältet. Ingen liten bedrift.

"Naturligtvis är de flesta system där det finns bra kontroll fotoniska system, "sa medförfattaren Charles Neill. Till skillnad från elektroner, laddningsfria fotoner tenderar i allmänhet inte att interagera med varandra eller med externa magnetfält, han förklarade. "I den här artikeln visar vi att vi kan få dem att interagera med varandra mycket starkt, och interagerar med ett magnetfält mycket starkt, Vilka är de två sakerna du behöver göra för att få dem att göra intressant fysik med fotoner, Sa Neill.

En annan fördel med detta syntetiska kondenserade system är förmågan att driva det till sitt lägst liggande energitillstånd-kallat marktillståndet-för att undersöka dess egenskaper.

Men med mer kontroll kommer potentialen för mer avkoherens. När forskarna strävade efter större programmerbarhet och förmåga att påverka och läsa qubits, ju mer öppet deras system sannolikt skulle vara för fel och förlust av information.

"Ju mer kontroll vi har över ett kvantsystem, de mer komplexa algoritmer vi skulle kunna köra, "sa medförfattaren Anthony Megrant." Men varje gång vi lägger till en kontrollinje, Vi introducerar också en ny källa till dekoherens. "I nivå med en enda qubit, en liten felmarginal kan tolereras, forskarna förklarade, men även med en relativt liten ökning av antalet qubits, risken för fel multipliceras exponentiellt.

"Det finns dessa korrigeringar som i sig är kvantmekaniska, och sedan börjar de spela betydelse med den precision som vi når, Sa Neill.

För att bekämpa risken för fel och samtidigt öka deras kontrollnivå, laget var tvunget att ompröva både arkitekturen i sin krets och materialet som användes i den. Istället för deras traditionellt ennivå, plan layout, forskarna utformade om kretsen för att tillåta kontrolledningar att "korsa" andra via en självbärande metallisk "bro". Det dielektriska materialet - det isolerande materialet mellan de ledande styrtrådarna - befanns i sig vara en stor felkälla.

"Alla deponerade dielektrikar som vi känner till är mycket förlorande, "Sa Megrant, och så infördes ett mer exakt tillverkat och mindre defekt substrat för att minimera sannolikheten för dekoherens.

Framstegen är stegvisa men fasta, enligt forskarna, som fortsätter att utforska den sanna potentialen i sitt kvantsystem. Lägg till den känsliga danshastigheten, vilket är viktigt för den typ av prestanda de vill se i en fullt fungerande kvantdator. Långsamma hastigheter minskar kontrollfel men gör systemet mer sårbart för koherensgränser och defekter som materialet påför. Snabba hastigheter undviker påverkan av defekter i materialet men minskar mängden kontroll som operatörerna har över systemet, sa de.

Med denna plattform, dock, att skala upp kommer att bli verklighet inom en inte alltför avlägsen framtid, sa de.

"Om vi ​​kan styra dessa system mycket exakt - kanske i en nivå på 30 qubits eller så - kan vi nå den nivå att göra beräkningar som ingen konventionell dator kan göra, "Sa Roushan.