Om du någonsin har försökt föra en konversation i ett bullrigt rum, kommer du att kunna relatera till vetenskapsmän och ingenjörer som försöker "höra" signalerna från experimentella kvantberäkningsenheter som kallas qubits. Dessa grundläggande enheter av kvantdatorer är tidigt i sin utveckling och förblir temperamentsfulla, föremål för alla slags störningar. Stray "brus" kan maskera sig som en fungerande qubit eller till och med göra den obrukbar.

Det är därför fysikern Christian Boutan och hans kollegor i Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) var i hyllningsläge nyligen när de visade upp PNNL:s första funktionella supraledande qubit. Det är inte mycket att titta på. Dess fodral - storleken på ett tuggummipaket - är ansluten till ledningar som sänder signaler till en närliggande panel av anpassade radiofrekvensmottagare. Men viktigast av allt, det är inbäddat i en glänsande guldkokong som kallas utspädningskylskåp och skyddad från elektriska signaler. När kylskåpet är igång är det bland de kallaste platserna på jorden, så mycket nära absolut noll, mindre än 6 millikelvin (cirka -460 grader F).

Den extrema kylan och isoleringen förvandlar den känsliga supraledande enheten till en funktionell qubit och saktar ner rörelsen av atomer som skulle förstöra qubit-tillståndet. Sedan lyssnar forskarna efter en karakteristisk signal, ett blipp på sina radiofrekvensmottagare. Blippen liknar radarsignaler som militären använder för att upptäcka närvaron av flygplan. Precis som traditionella radarsystem sänder radiovågor och sedan lyssnar efter återkommande vågor, har fysikerna på PNNL använt en lågtemperaturdetekteringsteknik för att "höra" närvaron av en qubit genom att sända noggrant utformade signaler och avkoda det återkommande meddelandet.

"Du viskar till qubiten och lyssnar på resonatorn", sa Boutan, som satt ihop PNNL:s första qubit-testbädd. "Om du träffar rätt frekvens med en signal som skickas till qubit, kommer du att se toppen av resonatorskiftet. Tillståndet för qubit ändrar resonatorfrekvensen. Det är signalskiftet vi lyssnar efter."

Detta är inte att direkt mäta kvantsignalen, utan snarare leta efter spåret den lämnar efter sig. En av de många konstigheterna med kvantberäkning är att forskare inte kan mäta kvanttillståndet direkt. Snarare undersöker de dess inverkan på den strategiskt förberedda miljön runt den. Det är därför PNNL:s expertis inom radiofrekvensöverföring och signaldetektering har varit avgörande, sa Boutan. Alla okontrollerade bakgrundsljud kan förstöra qubit-koherensen.

All denna speciella omsorg är nödvändig eftersom de kvantsignaler som forskargruppen försöker upptäcka och registrera ganska lätt kan översvämmas av konkurrerande "brus" från en mängd olika källor, inklusive materialen i själva qubiten.

Kvantfokus

Det är tidiga dagar inom kvantberäkning. Befintliga prototyper som den som fungerar i PNNL:s fysiklabb kunde jämföras med Macintosh-datorn när Apples grundare Steve Jobs och hans vänner kom ut från deras garage. Förutom att investeringen och insatserna är mycket högre i detta skede av kvantberäkningseran.

Forskare är särskilt fokuserade på kvantdatorers potential att lösa akuta problem med energiproduktion, användning och hållbarhet. Det är därför den amerikanska regeringens investering enbart uppgår till mer än 1 miljard dollar genom National Quantum Initiative och Department of Energys National Quantum Information Science (QIS) forskningscenter, som är fokuserade på att driva fram vetenskapen om kvantberäkning.

PNNL, som bidrar till tre av de fem QIS-centren, arbetar med flera aspekter av kvantinformationsvetenskap, inklusive att avslöja och eliminera källorna till störningar och brus som kastar qubits ut ur det användbara tillståndet som kallas "koherens", skriver datorkoder som dra fördel av dessa kvantdatorer och förbättra materialdesignen och konstruktionen av själva qubitarna. Boutans forskning om mikrovågskvantavkänning stöds genom PNNL:s Laboratory Directed Research and Development-program.

Skötsel och utfodring av qubits

Supraledande qubits är gjorda av exotiska metaller som reagerar med syre i atmosfären och skapar metalloxider. Du har sett detta hända när järn förvandlas till rost.

"Det är ett materialproblem", säger Brent VanDevender, en PNNL-fysiker som arbetar med störningskällor i qubits. "Vi kallar dem tvånivåsystem. Termen syftar på alla defekter i ditt material, såsom oxiderna, som kan efterlikna qubits beteende och stjäla energi."

PNNL materialforskare Peter Sushko och hans kollegor arbetar med utmaningen att stoppa qubit "rost" med medarbetare vid Princeton University genom deras anknytning till C2QA QIS Center. Där har ett team av forskare utvecklat en av de mest hållbara qubits som hittills rapporterats. Och ändå bildas snabbt metalloxider på den exponerade ytan av dessa supraledande qubit-enheter.

I samarbete med sina Princeton-kollegor har Sushko och hans team föreslagit en skyddande beläggning som kan störa syre i luften som interagerar med ytan av qubits och får dem att oxidera.

"Vårt mål är att ta bort störningar och att vara kompatibla med den underliggande strukturen", sa Sushko. "Vi tittar på ett skyddande lager som kommer att sitta ovanpå på ett ordnat sätt och förhindra oxidation, vilket minimerar effekterna av störningar."

Denna forskning bygger på grundläggande forskning av PNNL-materialforskaren Marvin Warner och kollegor. De har byggt upp en mängd kunskap om hur man skyddar känsliga supraledande metallbaserade enheter genom att applicera en mikrobeläggning som effektivt skyddar ytan från skador som kan påverka prestandan.

"Att kontrollera ytkemi för att skydda ett materials framväxande kvantegenskaper är ett viktigt tillvägagångssätt för att utveckla mer stabila och robusta enheter," sa Warner. "Det spelar perfekt in i styrkorna hos PNNL som ett kemilaboratorium."

Snart kommer teamet att konstruera den föreslagna lösningen i Princeton University Quantum Device Nanofabrication Laboratory. När den väl är byggd kommer den att genomgå en rad tester. Om den lyckas kan qubit vara redo för rigorösa tester av dess livslängd när den ställs inför qubit-koherensförstörande bombardement av atmosfärisk strålning, även känd som kosmisk strålning.

Gå under jorden

Du kan räkna på en hand antalet platser i USA inrättade för att studera qubit-trohet i en väl avskärmad underjordisk miljö. Snart kommer PNNL att finnas bland dem. Förberedelserna är på god väg för att inrätta en underjordisk qubit-testanläggning inom PNNL:s Shallow Underground Laboratory. Årtionden av forskning om effekterna av joniserande strålning har förberett PNNL-forskare att fastställa hur väl kvantenheter kan tolerera störningar från bombardement av naturliga strålningskällor. Här håller forskare och tekniker på att sätta upp ett utspädningskylskåp liknande det i PNNL:s fysiklabb.

Inom ett ultrarent rum med världsledande ultrarent materialsyntes och ultralåg detektering av bakgrundsstrålning, kommer experimentella qubits att genomgå sina steg i en anpassad blyskyddad miljö som minskar extern gammastrålning med mer än 99 procent.

Inom året kommer PNNL att vara beredd att slutföra hela cykeln av qubit-testning, från design och teori, till mikrotillverkning, till miljötester, till implementering med forskningspartner.

"Fullt fungerande kvantdatorer kommer bara att vara användbara när de blir tillförlitliga", sa Warner. "Med våra forskningspartners förbereder vi oss idag för att hjälpa till att inleda den eran idag." + Utforska vidare

Utveckla nästa generation av kvantalgoritmer och material