Kredit:CC0 Public Domain
Qubits är en grundläggande byggsten för kvantdatorer, men de är också notoriskt ömtåliga – svåra att observera utan att radera informationen i processen. Nu kan ny forskning från University of Colorado Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST) vara ett steg framåt för att hantera qubits med en lätt beröring.
I studien visade ett team av fysiker att det kunde läsa ut signalerna från en typ av qubit som kallas supraledande qubit med hjälp av laserljus, och utan att förstöra qubiten samtidigt.
Gruppens resultat kan vara ett stort steg mot att bygga ett kvantinternet, säger forskarna. Ett sådant nätverk skulle länka samman dussintals eller till och med hundratals kvantchips, vilket gör det möjligt för ingenjörer att lösa problem som är utom räckhåll för även de snabbaste superdatorerna i dag. De skulle också teoretiskt kunna använda en liknande uppsättning verktyg för att skicka okrossbara koder över långa avstånd.
Studien, som kommer att visas den 15 juni i tidskriften Nature , leddes av JILA, ett gemensamt forskningsinstitut mellan CU Boulder och NIST.
"För närvarande finns det inget sätt att skicka kvantsignaler mellan avlägsna supraledande processorer som vi skickar signaler mellan två klassiska datorer", säger Robert Delaney, huvudförfattare till studien och en före detta doktorand vid JILA.
Delaney förklarade att de traditionella bitarna som kör din bärbara dator är ganska begränsade:De kan bara anta ett värde av noll eller ett, de siffror som ligger bakom de flesta datorprogrammering hittills. Qubits, däremot, kan vara nollor, ettor eller, genom en egenskap som kallas "superposition", existera som nollor och ettor samtidigt.
Men att arbeta med qubits är också lite som att försöka fånga en snöflinga i din varma hand. Även den minsta störning kan kollapsa den överlagringen och få dem att se ut som vanliga bitar.
I den nya studien visade Delaney och hans kollegor att de kunde komma runt den bräckligheten. Teamet använder en tunna skiva av kisel och kväve för att omvandla signalen som kommer ut från en supraledande qubit till synligt ljus – samma sorts ljus som redan bär digitala signaler från stad till stad genom fiberoptiska kablar.
"Forskare har gjort experiment för att extrahera optiskt ljus från en qubit, men att inte störa qubiten i processen är en utmaning", säger studiens medförfattare Cindy Regal, JILA-stipendiat och docent i fysik vid CU Boulder.
Kvantsprång
Det finns många olika sätt att göra en qubit, tillade hon.
Vissa forskare har satt ihop qubits genom att fånga en atom i laserljus. Andra har experimenterat med att bädda in qubits i diamanter och andra kristaller. Företag som IBM och Google har börjat designa kvantdatorchips med hjälp av qubits gjorda av supraledare.
Supraledare är material som elektroner kan rusa runt utan motstånd. Under rätt omständigheter kommer supraledare att sända ut kvantsignaler i form av små partiklar av ljus, eller "fotoner", som oscillerar vid mikrovågsfrekvenser.
Och det är där problemet börjar, sa Delaney.
För att skicka den typen av kvantsignaler över långa avstånd, skulle forskare först behöva omvandla mikrovågsfotoner till synligt ljus, eller optiska, fotoner - som kan susa i relativ säkerhet genom nätverk av fiberoptiska kablar över staden eller till och med mellan städer. Men när det kommer till kvantdatorer är det svårt att uppnå den transformationen, sade studiens medförfattare Konrad Lehnert.
Delvis beror det på att ett av de viktigaste verktygen du behöver för att förvandla mikrovågsfotoner till optiska fotoner är laserljus, och lasrar är fienden av supraledande qubits. Om ens en herrelös foton från en laserstråle träffar din qubit kommer den att raderas helt.
"Skörheten hos qubits och den väsentliga inkompatibiliteten mellan supraledare och laserljus gör att vanligtvis förhindrar den här typen av avläsning", säger Lehnert, en NIST- och JILA-stipendiat.
Hemliga koder
För att komma runt det hindret vände sig teamet till en mellanhand:en tunn bit material som kallas en elektrooptisk givare.
Delaney förklarade att teamet börjar med att zappa den där wafern, som är för liten för att se utan mikroskop, med laserljus. När mikrovågsfotoner från en qubit stöter in i enheten vippar den och spottar ut fler fotoner – men dessa svänger nu med en helt annan frekvens. Mikrovågsljus går in och synligt ljus kommer ut
I den senaste studien testade forskarna sin givare med en riktig supraledande qubit. De upptäckte att det tunna materialet kunde uppnå denna switcheroo samtidigt som de effektivt höll dessa dödliga fiender, qubits och lasrar, isolerade från varandra. Med andra ord läckte ingen av fotonerna från laserljuset tillbaka för att störa supraledaren.
"Vår elektrooptiska givare har inte mycket effekt på qubit," sa Delaney.
Teamet har inte kommit till den punkt där det kan överföra faktisk kvantinformation genom sin transducer. Bland annat är enheten inte särskilt effektiv ännu. Det krävs i genomsnitt cirka 500 mikrovågsfotoner för att producera en enda synlig ljusfoton.
Forskarna arbetar för närvarande med att förbättra den hastigheten. När de väl gör det kan nya möjligheter dyka upp i kvantvärlden. Forskare skulle teoretiskt kunna använda en liknande uppsättning verktyg för att skicka kvantsignaler över kablar som automatiskt skulle radera deras information när någon försöker lyssna.
Mission Impossible gjort verkligt, med andra ord, och allt tack vare den känsliga qubiten. + Utforska vidare
