Квантовый прорыв: ученые продлевают жизнь кубитов

 

Ученые показали, что они могут продлить срок службы молекулярного кубита, изменив структуру окружающего кристалла, сделав ее менее симметричной. Асимметрия защищает кубит от шума, позволяя ему хранить информацию в пять раз дольше, чем если бы он был размещен в симметричной структуре. (Фото: scitechdaily.com)

Стабильность в асимметрии

Нарушая симметрию своего окружения, ученые демонстрируют новый метод увеличения времени, в течение которого кубиты могут сохранять информацию.

Что случилось

Ученые показали, что, изменяя структуру окружающего кристалла, делая ее менее симметричной, они могут продлить срок службы молекулярного кубита.

Кубит защищен от шума асимметрией, что позволяет ему сохранять информацию в пять раз дольше, чем если бы он был размещен в симметричной структуре. Исследовательская группа получила время когерентности (время, в течение которого кубит сохраняет информацию) в 10 микросекунд, или 10 миллионных долей секунды, по сравнению со временем когерентности молекулярного кубита в 2 микросекунды в симметричном кристалле-хозяине.

Немного предыстории

Кубит — это фундаментальная единица квантовой информации, квантовый аналог традиционного вычислительного бита.

Кубиты могут удерживать информацию только до тех пор, пока шум или мешающие сигналы не уничтожат информацию. Увеличение периода времени, в течение которого информация остается стабильной, известного как время когерентности, является одной из самых больших проблем в квантовой информатике.

Кубиты бывают разных типов, один из которых представляет собой молекулу, созданную в лаборатории. Молекулярные кубиты являются модульными, то есть их можно легко перемещать из одной среды в другую. Напротив, другие типы кубитов, например, сделанные из полупроводников, сильно привязаны к окружающей среде.

Почему это важно

Более длительное время когерентности: более длительное время когерентности делает кубиты более полезными в таких приложениях, как вычисления, междугородняя связь и зондирование в таких областях, как медицина, навигация и астрономия.

Модульность: поскольку время когерентности можно увеличить, изменив корпус кубита или поместив его в более асимметричное положение относительно корпуса, нет необходимости менять сам кубит для увеличения срока службы. Просто измените его положение.

«Молекулярная химия позволяет нам заменить кристаллический материал, в котором находится кубит, а также модифицировать сам кубит», — сказала Данна Фридман, F.G. Киз, профессор химии Массачусетского технологического института и соавтор статьи. «Добавление этого нового уровня контроля очень эффективно».

«Изменение было реализовано путем простого обмена отдельными атомами на молекулах-хозяевах, что является одним из самых незначительных изменений, которые вы можете получить, и оно привело к пятикратному увеличению времени когерентности», — сказал Сэм Бейлисс из Университета Глазго, который был одним из соавторов. автор исследования. «Это хорошая демонстрация возможности настройки на атомном уровне, которую вы получаете с молекулами. Химические методы по своей сути обеспечивают контроль на уровне отдельных атомов, что является мечтой многих современных технологий».

Изменчивость: эффективность этой техники нарушения симметрии означает, что молекулярные кубиты могут работать в самых разных средах, даже в тех, в которых невозможно уменьшить шум.

«Мы создали новый способ изменения свойств когерентности в молекулярных системах, — сказал Фридман. «Эта новообретенная способность химически контролировать среду хозяина открывает новые возможности для целевого применения молекулярных кубитов».

«Хотя 10 микросекунд могут показаться не очень длинными по сравнению с некоторыми системами, имейте в виду, что мы ничего не сделали для уменьшения источников шума. В средах, которые мы измеряли, шум очень значителен. Так что даже если там есть шум, кубиты его практически не видят», — сказал Бейлисс. «А почему бы нам просто не убрать источник шума? В практических случаях не всегда возможно работать в сверхчистой среде. Таким образом, наличие кубита, который может работать в шумной среде, может быть выгодным».

Детали

Кубит команды состоит из иона на основе хрома, присоединенного к молекулам на основе углерода.

Для молекулярного кубита основным источником шума являются магнитные поля в его окружении. Магнитные поля имеют тенденцию смещать энергетические уровни кубита, которые кодируют информацию. Асимметрия кристалла защищает кубит от потенциально разрушительных магнитных полей, и информация сохраняется дольше.

В дополнение к улучшению свойств кубита команда разработала математический инструмент, который точно предсказывает время когерентности любого молекулярного кубита на основе структуры кристалла-хозяина.

«Это невероятно интересно для нас», — сказал Бейлисс. «Одна из самых захватывающих вещей заключалась в том, насколько большой прогресс может быть достигнут с помощью этих систем за короткий промежуток времени, и насколько небольшими могут быть некоторые модификации матрицы хоста, чтобы получить довольно значительное улучшение».

«Я рад наблюдать за новой интересной особенностью молекулярной химии», — сказал Фридман.

«Это важное событие. Возможность точно настроить окружение кубита — уникальное преимущество молекулярных кубитов. Это нелегко сделать в других материальных системах», — сказал директор Q-NEXT и соавтор статьи Дэвид Авшалом, который также является старшим научным сотрудником Аргонны, заместителем декана по исследованиям и инфраструктуре и профессором молекулярной инженерии и физики семьи Лью. в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета и директор Чикагской квантовой биржи. «Знание того, что мы можем продлить срок службы кубита, создав его среду, открывает новые возможности для приложений в области квантовых вычислений, датчиков и связи».

Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США, Национальными исследовательскими центрами квантовой информации и Управлением фундаментальных энергетических наук.

Источник