Nya rön avslöjar tidigare visdom om att qubits i fast tillstånd måste vara superutspädda i ett ultrarent material för att uppnå lång livslängd. Istället, stoppa in massor av joner av sällsynta jordartsmetaller i en kristall, och några kommer att bilda par som fungerar som mycket sammanhängande qubits, visar papper i Nature Physics .
Rena linjer och minimalism, eller vintage shabby chic? Det visar sig att samma trender som upptar inredningsvärlden är väsentliga när det gäller att designa byggstenarna i kvantdatorer.
Hur man gör qubits som behåller sin kvantinformation tillräckligt länge för att vara användbara är ett av de största hindren för praktisk kvantberäkning. Det är allmänt accepterat att nyckeln till qubits med lång livslängd, eller "koherenser", är renlighet. Qubits förlorar kvantinformation genom en process som kallas dekoherens när de börjar interagera med sin omgivning.
Så, enligt den konventionella visdomen, håll dem borta från varandra och från andra störande influenser, så kommer de förhoppningsvis att överleva lite längre.
I praktiken är ett sådant "minimalistisk" tillvägagångssätt för qubit-design problematisk. Att hitta lämpliga ultrarena material är inte lätt. Att späda ut qubits till det yttersta gör dessutom uppskalningen av den resulterande tekniken utmanande. Nu visar överraskande resultat från forskare vid Paul Scherrer Institute PSI, ETH Zurich och EPFL hur qubits med lång livslängd kan existera i en rörig miljö.
"I det långa loppet är hur man gör det på ett chip en fråga som diskuteras allmänt för alla typer av qubits. Istället för att späda ut mer och mer har vi demonstrerat en ny väg genom vilken vi kan pressa qubits närmare varandra", säger Gabriel Aeppli, chef för Photon Science Division vid PSI och professor vid ETH Zürich och EPFL, som ledde studien.
Forskarna skapade fasta qubits från den sällsynta jordartsmetallen terbium, dopade till kristaller av yttriumlitiumfluorid. De visade att i en kristall fullproppad med joner av sällsynta jordartsmetaller fanns qubit-ädelstenar med mycket längre koherenser än vad som normalt kan förväntas i ett så tätt system.
"För en given densitet av qubits visar vi att det är en mycket effektivare strategi att kasta i joner från sällsynta jordartsmetaller och plocka ädelstenar från skräpet snarare än att försöka separera de individuella jonerna från varandra genom utspädning", förklarar Markus Müller , vars teoretiska förklaringar var avgörande för att förstå förvirrande observationer.
Liksom klassiska bitar som använder 0 eller 1 för att lagra och bearbeta information, använder qubits också system som kan existera i två tillstånd, om än med möjlighet till superpositioner. När qubits skapas från joner av sällsynta jordartsmetaller, används vanligtvis en egenskap hos de individuella jonerna – såsom kärnspinnet, som kan peka uppåt eller nedåt – som detta tvåtillståndssystem.
Teamet skulle kunna lyckas med ett radikalt annorlunda tillvägagångssätt eftersom deras qubits, snarare än att bildas från enstaka joner, bildas från starkt interagerande jonpar. Istället för att använda kärnspinnet av enstaka joner, bildar paren qubits baserade på överlagringar av olika elektronskalstillstånd.
Inom kristallmatrisen bildar endast ett fåtal av terbiumjonerna par. "Om du kastar mycket terbium i kristallen, av en slump, finns det par av joner – våra qubits. Dessa är relativt sällsynta, så själva qubits är ganska utspädda", förklarar Adrian Beckert, huvudförfattare till studien.
Så varför störs inte dessa qubits av deras röriga miljö? Det visar sig att dessa pärlor, genom sina fysiska egenskaper, är skyddade från skräpet. Eftersom de har en annan karakteristisk energi som de arbetar med, kan de inte byta energi med de enskilda terbiumjonerna – i huvudsak är de blinda för dem.
"Om du gör en excitation på ett enda terbium kan det lätt hoppa över till ett annat terbium, vilket orsakar dekoherens", säger Müller. "Men om excitationen är på ett terbiumpar, är dess tillstånd intrasslat, så det lever på en annan energi och kan inte hoppa över till de enskilda terbiums. Jag skulle behöva hitta ett annat par, men det kan det inte eftersom nästa en är en lång bit bort."
Forskarna snubblade över fenomenet qubit-par när de undersökte terbiumdopad yttriumlitiumfluorid med mikrovågsspektroskopi. Teamet använder också ljus för att manipulera och mäta kvanteffekter i material, och samma typ av qubits förväntas fungera vid de högre frekvenserna av optiskt laserljus. Detta är av intresse eftersom sällsynta jordartsmetaller har optiska övergångar, som ger en enkel väg in med ljus.
"Så småningom är vårt mål att även använda ljus från röntgenfri elektronlaser SwissFEL eller Swiss Light Source SLS för att bevittna kvantinformationsbehandling", säger Aeppli. Detta tillvägagångssätt skulle kunna användas för att läsa ut hela qubit-ensembler med röntgenljus.
Under tiden är terbium ett attraktivt val av dopningsmedel:det kan lätt exciteras av frekvenser i mikrovågsområdet som används för telekommunikation. Det var under spinekotester – en väletablerad teknik för att mäta koherenstider – som teamet märkte roliga toppar som motsvarar mycket längre koherenser än de på de enskilda jonerna.
"Det var något oväntat som lurade", minns Beckert. Med ytterligare mikrovågsspektroskopiexperiment och noggrann teoretisk analys kunde de ta bort dessa som partillstånd.
När forskarna grävde i naturen hos dessa qubits kunde de förstå de olika sätten på vilka de skyddades från sin miljö och försöka optimera dem. Även om excitationerna av terbiumparen kan vara väl skyddade från påverkan av andra terbiumjoner, kan kärnspinn på andra atomer i materialet fortfarande interagera med qubits och få dem att dekohera.
För att skydda qubitarna ytterligare från omgivningen applicerade forskarna ett magnetfält på materialet som var inställt för att exakt upphäva effekten av terbiums kärnspinn i par. Detta resulterade i väsentligen icke-magnetiska qubit-tillstånd, som endast var minimalt känsliga för brus från kärnspinn från omgivande "skräp"-atomer.
När denna skyddsnivå väl inkluderades hade qubit-paren livstider på upp till hundra gånger längre än enstaka joner i samma material.
"Om vi skulle leta efter qubits baserade på terbiumpar, skulle vi inte ha tagit ett material med så många kärnspinn", säger Aeppli. "Vad detta visar är hur kraftfullt detta tillvägagångssätt kan vara. Med rätt material kan sammanhållningen bli ännu längre." Beväpnad med kunskapen om detta fenomen är att optimera matrisen vad forskarna nu kommer att göra.
Mer information: Framväxten av mycket sammanhängande tvånivåsystem i ett bullrigt och tätt kvantnätverk, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02321-y
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Paul Scherrer Institute
