Enkeltfononavlesning og grunnkjøling med fanget elektron bringer kvanteberegning ett skritt nærmere

Kvantedatamaskiner er kraftige beregningsenheter som er avhengige av kvantemekanikk, eller vitenskapen om hvordan partikler som elektroner og atomer samhandler med verden rundt dem. Disse enhetene kan potensielt brukes til å løse visse typer beregningsproblemer på mye kortere tid.

Det har forskerne lenge håpet kvanteberegning kan bli det neste store fremskrittet innen databehandling; Imidlertid har eksisterende begrensninger forhindret teknologien i å treffe sitt sanne potensial. For at disse datamaskinene skal fungere, er den grunnleggende informasjonsenheten integrert i driften, kjent som kvantebitereller qubitsmå være stabil og rask.

Qubits er representert både av enkle binære kvantetilstander og av forskjellige fysiske implementeringer. En lovende kandidat er et fanget elektron som leviterer i et vakuum. Det kan imidlertid være vanskelig å kontrollere kvantetilstandene, spesielt vibrasjonsbevegelsene, til fangede elektroner.

I en artikkel publisert i Physical Review Research, identifiserte forskere mulige løsninger på noen av begrensningene til qubits for kvanteberegning. De så på to forskjellige hybride kvantesystemer: en elektron-superledende krets og et elektron-ion-koblet system. Begge systemene var i stand til å kontrollere temperaturen og bevegelsen til elektronet.

“Vi fant en måte å kjøle ned og måle bevegelsen til et elektron levitert i et vakuum, eller et fanget elektron, begge i kvanteregimet,” sa assisterende professor Alto Osada ved Komaba Institute for Science ved Universitetet i Tokyo. “Med gjennomførbarheten av kvantenivåkontroll av bevegelsen til fangede elektroner, blir det fangede elektronet mer lovende og attraktivt for kvanteteknologiapplikasjoner, for eksempel kvantedatabehandling.”

De foreslåtte systemene som forskerne fokuserte på inkluderte et elektron fanget i et vakuum kalt en Paul-felle som interagerer med superledende kretser og et fanget ion. Fordi ioner er positivt ladet og elektroner er negativt ladet, når de er fanget sammen, beveger de seg mot hverandre på grunn av et fenomen som kalles Coulomb-attraksjon.

Fordi elektronet har en så lett masse, var interaksjonene mellom elektronet og kretsen og elektronet og ionet spesielt sterke. De fant også ut at de var i stand til å kontrollere temperaturen på elektronet ved hjelp av mikrobølgefelt og optiske lasere.

En annen viktig metrikk som forskerne brukte for å måle suksessen til beregningene deres, var fononmodusen til elektronet. Phonon refererer til en energienhet som karakteriserer en vibrasjon, eller, i dette tilfellet, oscillasjonen til det fangede elektronet. Det ønskelige resultatet var en enkeltfononavlesning og kjøling i grunntilstand. Bakketilstandskjøling refererer til den frosne tilstanden til elektronet.

Forskere var i stand til å oppnå disse gjennom sine to hybridsystemer de analyserte. “Svært effektive kvanteoperasjoner med høy kvalitet er tilgjengelige i systemet med fanget elektroner,” sa Osada. “Dette nye systemet manifesterer seg som en ny lekeplass for utvikling av kvanteteknologi.”

Når vi ser fremover, merker forskere at ytterligere eksperimentell forskning må gjøres for å se om metodene deres kan implementeres og brukes på kvanteberegning. For eksempel planlegger de å demonstrere ideen sin med et proof-of-concept-eksperiment. “Vi planlegger å undersøke ordningene våre ved hjelp av elektroner fanget i et mikrobølgehulrom,” sa Osada. “Gjennom denne forskningen vil vi være i stand til å komme enda et skritt nærmere mot presise kvanteoperasjoner og mot implementering av kvanteberegning.”

---

---