Forskare under ledning av University of Massachusetts Amherst har anpassat en anordning som kallas mikrovågscirkulator för användning i kvantdatorer, vilket gör att de för första gången kan justera den exakta graden av icke-reciprocitet mellan en qubit, den grundläggande enheten för kvantberäkning och en mikrovågsugn. -resonanshålighet.

Förmågan att exakt ställa in graden av icke-ömsesidighet är ett viktigt verktyg att ha vid bearbetning av kvantinformation. Genom att göra det härledde teamet, inklusive medarbetare från University of Chicago, en allmän och allmänt användbar teori som förenklar och utökar äldre förståelser av icke-ömsesidighet så att framtida arbete med liknande ämnen kan dra nytta av teamets modell, även när man använder olika komponenter och plattformar.

Forskningen publiceras i Science Advances .

Kvantberäkningar skiljer sig fundamentalt från den bitbaserade beräkningen vi alla gör varje dag. En bit är en bit information som vanligtvis uttrycks som en 0 eller en 1. Bitar är grunden för all programvara, webbplatser och e-postmeddelanden som utgör vår elektroniska värld.

Däremot bygger kvantberäkning på "kvantbitar" eller "kvantbitar", som är som vanliga bitar förutom att de representeras av "kvantöverlagringen" av två tillstånd i ett kvantobjekt. Materia i ett kvanttillstånd beter sig väldigt olika, vilket innebär att qubitar inte förvisas till att bara vara 0:or eller 1:or – de kan vara båda samtidigt på ett sätt som låter som magi, men som är väl definierat av kvantlagarna mekanik. Denna egenskap hos kvantöverlagring leder till kvantdatorernas ökade kraftkapacitet.

Dessutom kan en egenskap som kallas "icke-ömsesidighet" skapa ytterligare vägar för kvantberäkning för att dra nytta av potentialen i kvantvärlden.

"Föreställ dig en konversation mellan två personer", säger Sean van Geldern, doktorand i fysik vid UMass Amherst och en av tidningens författare. "Total ömsesidighet är när var och en av personerna i den konversationen delar lika mycket information. Icke-ömsesidighet är när en person delar lite mindre än den andra."

"Detta är önskvärt inom kvantberäkning", säger seniorförfattaren Chen Wang, biträdande professor i fysik vid UMass Amherst, "eftersom det finns många datorscenarier där du vill ge gott om tillgång till data utan att ge någon makten att ändra eller försämra det. data."

För att kontrollera icke-ömsesidighet, körde huvudförfattaren Ying-Ying Wang, doktorand i fysik vid UMass Amherst, och hennes medförfattare en serie simuleringar för att bestämma designen och egenskaperna som deras cirkulator skulle behöva ha för att de skulle kunna variera dess icke-ömsesidighet. De byggde sedan sin cirkulator och körde en mängd experiment, inte bara för att bevisa sitt koncept, utan för att förstå exakt hur deras enhet möjliggjorde icke-ömsesidighet.

I samband med att de gjorde det kunde de revidera sin modell, som innehöll 16 parametrar som beskriver hur man bygger sin specifika enhet, till en enklare och mer allmän modell med endast sex parametrar. Denna reviderade, mer allmänna modell är mycket mer användbar än den ursprungliga, mer specifika, eftersom den är allmänt tillämpbar på en rad framtida forskningsinsatser.

Den "integrerade icke-ömsesidiga enheten" som laget byggde ser ut som ett "Y." I mitten av "Y" finns cirkulatorn, som är som en trafikrondell för mikrovågssignalerna som förmedlar kvantinteraktionerna. Ett av benen är kavitetsporten, en resonant supraledande kavitet som är värd för ett elektromagnetiskt fält. Ett annat ben av "Y" håller qubiten, tryckt på ett safirchip. Det sista benet är utgångsporten.

"Om vi ​​varierar det supraledande elektromagnetiska fältet genom att bombardera det med fotoner", säger Ying-Ying Wang, "ser vi att den där qubiten reagerar på ett förutsägbart och kontrollerbart sätt, vilket innebär att vi kan justera exakt hur mycket ömsesidighet vi vill ha. Och Den förenklade modellen som vi tagit fram beskriver vårt system på ett sådant sätt att de externa parametrarna kan beräknas för att justera en exakt grad av icke-ömsesidighet."

"Detta är den första demonstrationen av att bädda in icke-receptivitet i en kvantberäkningsenhet", säger Chen Wang, "och det öppnar dörren till att konstruera mer sofistikerad kvantberäkningshårdvara."

Mer information: Ying-Ying Wang et al, Dispersiv icke-ömsesidighet mellan en qubit och en kavitet, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj8796

Journalinformation: Vetenskapens framsteg

Tillhandahålls av University of Massachusetts Amherst