En ny metod gör att kvanttillståndet för atomära "qubits" - den grundläggande informationsenheten i kvantdatorer - kan mätas med tjugo gånger mindre fel än vad som tidigare varit möjligt, utan att förlora några atomer. Noggrant mätning av qubit-tillstånd, som är analoga med ett- eller nolltillstånden för bitar i traditionell beräkning, är ett viktigt steg i utvecklingen av kvantdatorer. En artikel som beskriver metoden av forskare vid Penn State dyker upp den 25 mars, 2019 i tidningen Naturfysik .

"Vi arbetar med att utveckla en kvantdator som använder en tredimensionell grupp av laserkylda och fångade cesiumatomer som qubits, sa David Weiss, professor i fysik vid Penn State och ledare för forskargruppen. "På grund av hur kvantmekaniken fungerar, atomära qubits kan existera i en "superposition" av två tillstånd, vilket betyder att de kan vara, på sätt och vis, i båda staterna samtidigt. För att läsa ut resultatet av en kvantberäkning, det är nödvändigt att utföra en mätning på varje atom. Varje mätning hittar varje atom i endast ett av dess två möjliga tillstånd. Den relativa sannolikheten för de två resultaten beror på superpositionstillståndet före mätningen."

För att mäta qubit-tillstånd, teamet använder först lasrar för att kyla och fånga cirka 160 atomer i ett tredimensionellt gitter med X, Y, och Z-axlar. Initialt, lasrarna fångar alla atomer identiskt, oavsett deras kvanttillstånd. Forskarna roterar sedan polarisationen av en av laserstrålarna som skapar X-gittret, som spatialt förskjuter atomer i ett qubit-tillstånd till vänster och atomer i det andra qubit-tillståndet till höger. Om en atom börjar i en superposition av de två qubittillstånden, det hamnar i en superposition av att ha flyttat till vänster och att ha flyttat till höger. De byter sedan till ett X-gitter med ett mindre gitteravstånd, som tätt fångar atomerna i deras nya överlagring av förskjutna positioner. När ljus sedan sprids från varje atom för att observera var den är, varje atom hittas antingen förskjuten åt vänster eller åt höger, med en sannolikhet som beror på dess initiala tillstånd. Mätningen av varje atoms position är ekvivalent med en mätning av varje atoms initiala qubit-tillstånd.

"Att kartlägga interna tillstånd på rumsliga platser går långt för att göra detta till en idealisk mätning, " sade Weiss. "En annan fördel med vårt tillvägagångssätt är att mätningarna inte orsakar förlust av någon av atomerna vi mäter, vilket är en begränsande faktor i många tidigare metoder."

Teamet bestämde noggrannheten för sin nya metod genom att ladda sina gitter med atomer i antingen det ena eller andra qubit-tillståndet och utföra mätningen. De kunde noggrant mäta atomtillstånd med en trohet på 0,9994, vilket betyder att det bara fanns sex fel av 10, 000 mätningar, en tjugofaldig förbättring jämfört med tidigare metoder. Dessutom, felfrekvensen påverkades inte av antalet qubits som laget mätte i varje experiment och eftersom det inte fanns någon förlust av atomer, atomerna kunde återanvändas i en kvantdator för att utföra nästa beräkning.

"Vår metod liknar Stern-Gerlach-experimentet från 1922 - ett experiment som är en del av kvantfysikens historia, " sade Weiss. "I experimentet, en stråle av silveratomer fördes genom en magnetfältsgradient med deras nordpoler inriktade vinkelrätt mot gradienten. När Stern och Gerlach såg hälften av atomerna böjas upp och hälften ner, det bekräftade idén om kvantöverlagring, en av de avgörande aspekterna av kvantmekaniken. I vårt experiment, vi kartlägger också atomernas inre kvanttillstånd på positioner, men vi kan göra det atom för atom. Självklart, vi behöver inte testa denna aspekt av kvantmekaniken, vi kan bara använda det."