Forskare runt om i världen arbetar hårt för att skölja kvantsystem för brus, vilket kan störa funktionen hos morgondagens kraftfulla kvantdatorer. Forskare från Niels Bohr Institute (NBI) har hittat ett sätt att använda brus för att bearbeta kvantinformation. Detta höjer prestandan för kvantberäkningsenheten, qubit.
Ett internationellt samarbete ledd av forskare vid Niels Bohr Institutet (NBI), Köpenhamns universitet, har visat på ett alternativt tillvägagångssätt. Deras metod gör det möjligt att använda brus för att bearbeta kvantinformation. Som ett resultat ökar prestandan för den grundläggande kvantberäkningsenheten av information, qubit, med 700 %.
Dessa resultat publiceras i tidskriften Nature Communications .
"Att undvika brus i kvantsystem har visat sig vara svårt, eftersom nästan alla förändringar i miljön kan förstöra saker. Till exempel kan ditt system arbeta med ett givet magnetiskt eller elektriskt fält, och om det fältet ändras bara något faller kvanteffekterna isär.
"Vi föreslår ett helt annat tillvägagångssätt. Istället för att bli av med buller använder vi kontinuerlig bullerövervakning i realtid och anpassar systemet allteftersom förändringar i miljön sker", säger Ph.D. Forskare vid NBI Fabrizio Berritta, huvudförfattare till studien.
Det nya tillvägagångssättet är möjligt tack vare den senaste utvecklingen inom flera högteknologiska områden.
"Tidigare, säg för 20 år sedan, skulle det ha varit möjligt att visualisera fluktuationerna efter experimentet, men det skulle ha varit för långsamt att använda denna information under själva experimentet. Vi använder FPGA [field-programmable-gate-array]-teknik för att få mätningarna i realtid Och vidare använder vi maskininlärning för att påskynda analysen", förklarar Berritta.
"Hela idén är att få mätningarna och göra analysen i samma mikroprocessor som justerar systemet i realtid. Annars skulle schemat inte vara tillräckligt snabbt för kvantberäkningstillämpningar."
I nuvarande beräkningar är den grundläggande enheten för överförbar information, känd som biten, bunden till laddningen av elektroner. Det kan bara ha ett av två värden, ett eller noll – antingen finns det elektroner eller så finns det inte. Motsvarande kvantberäkningsenhet – känd som qubit – kommer att kunna anta mer än två värden.
Mängden information per qubit kommer att öka exponentiellt med antalet kvantegenskaper man kan kontrollera, vilket kanske resulterar i datorer som en dag är förbluffande kraftfullare än konventionella datorer.
En hörnsten i kvantmekaniken är att elementarpartiklarna inte bara ska ha en massa och en laddning utan också ett spinn. Ett annat nyckelbegrepp är förveckling. Här interagerar två eller flera partiklar på ett sådant sätt att kvanttillståndet för en enskild partikel inte kan beskrivas oberoende av tillståndet hos den eller de andra.
Protokollet bakom de nya fynden integrerar en singlett-triplett-spin-qubit implementerad i en galliumarsenid-dubbelkvantprick med FPGA-drivna qubit-kontroller. Qubiten involverar två elektroner, med tillstånden för båda elektronerna intrasslade.
Tvärvetenskaplig teaminsats
Precis som andra spinn-qubitar är singlet-triplett-qubiten sårbar för även små störningar i sin omgivning. Fysikerna använder termen "brus", som inte ska tas bokstavligt som akustiskt brus. I relation till kvantsystem kan störningar som elektriska eller magnetiska fältfluktuationer förstöra kvanttillstånden av intresse.
För att visa den fördelaktiga användningen av miljöfluktuationer, valde forskarna denna qubit eftersom dess koppling till både magnetiskt brus och elektriskt brus är väl förstått från en serie tidigare studier vid NBI, ledd av professor Ferdinand Kuemmeth, som leder en forskargrupp om halvledande och supraledande kvantenheter vid NBI.
Den nya studien samlade forskargrupper vid NBI, Purdue University, Norges tekniska och naturvetenskapliga universitet, företag QDevil (Köpenhamn) och Quantum Machines (Tel Aviv) inom en rad områden som qubit-material, qubit-tillverkning, qubit-kontrollhårdvara, kvantinformationsteori och maskininlärning.
"Detta samarbete illustrerar att utvecklingen av kvantdatorer inte längre är en aktivitet som kan drivas av enskilda fysikgrupper. Ta bort någon av våra partners, och det här arbetet hade inte varit möjligt", säger Kuemmeth.
Forskarna ser det nya protokollet som en milstolpe mot utvecklingen av kvantdatorer, men inser också att många andra milstolpar måste uppnås.
"Nästa steg för oss blir att tillämpa vårt protokoll på system av olika material och med mer än en qubit", säger Berritta. "Jag kan inte säga när vi kommer att se den första riktigt användbara kvantdatorn. Kanske 10 år från nu.
"I alla fall tror vi att vi har kommit fram till ett lovande tillvägagångssätt. Många kollegor fokuserar på att bli av med buller för att utveckla bättre qubits, till exempel genom att förbättra kvaliteten på materialen som används för att tillverka qubits. Vi har visat att under vissa förhållanden som man aktivt kan justera för en del av bruset. Detta kan vara relevant för andra typer av qubits förutom typen i vår studie."
Mer information: Fabrizio Berritta et al, Tvåaxelstyrning i realtid av en spin-qubit, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45857-0
Tillhandahålls av Niels Bohr Institute
