Universitetet i Tokyo forskere har identifisert mulige løsninger for å overvinne begrensningene til qubits for kvanteberegning.
Kvantedatamaskiner er kraftige beregningsenheter som har potensial til å løse flere typer beregningsproblemer på kortere tid. På grunn av dette har kvanteberegning lenge vært ansett som det neste store fremskritt innen databehandling; begrensningene til kvantedatamaskiner har imidlertid forhindret teknologien i å nå sitt fulle potensial. For at kvantedatamaskiner skal fungere, kvantebiter eller qubitsden grunnleggende informasjonsenheten som er integrert i driften, må være rask og stabil.
Enkle binære kvantetilstander og ulike fysiske implementeringer representerer qubits. En potensiell kandidat til å stabilisere qubits er et fanget elektron som leviterer i et vakuum. Imidlertid er det ofte vanskelig å kontrollere kvantetilstandene eller fangede elektroner.
For å prøve å overvinne qubits begrensninger, Universitetet i Tokyo forskere oppdaget mulige løsninger for fremme av kvantedatabehandling.
Forskningsoppgaven deres, med tittelen ‘Mulighetsstudie på grunntilstandskjøling og enkeltfononavlesning av fangede elektroner ved bruk av hybride kvantesystemer,’ er publisert i Physical Review Research.
Overvinne begrensningene til qubits for kvanteberegning
For å løse problemene med qubits, analyserte forskerne to forskjellige hybride kvantesystemer: en elektron-superledende krets og et elektron-ion-koblet system. Disse systemene var både i stand til å kontrollere temperaturen og bevegelsen til elektronet.
Alto Osada, assisterende professor ved Komaba Institute for Science ved Universitetet i Tokyo, forklarte: «Vi fant en måte å kjøle ned og måle bevegelsen til et elektron levitert i et vakuum, eller et fanget elektron, begge i kvanteregimet.
“Med gjennomførbarheten av kvantenivåkontroll av bevegelsen til fangede elektroner, blir det fangede elektronet mer lovende og attraktivt for kvanteteknologiapplikasjoner, for eksempel kvantedatabehandling.”
I deres foreslåtte løsninger for kvanteberegning inkluderte forskerne et elektron fanget i et vakuum, kalt en Paul-felle, som samhandler med superledende kretser og et fanget ion. Ettersom ioner er positivt ladet og elektroner er negativt ladet, beveger de seg mot hverandre når de er fanget sammen, på grunn av fenomenet kalt Coulomb-attraksjon.
Interaksjonene mellom elektronet og kretsen og elektronet og ionet var spesielt sterke på grunn av elektronets lette masse. Teamet oppdaget også at temperaturen på elektronet kunne kontrolleres ved hjelp av mikrobølgefelt og optiske lasere.
Forskerne målte resultatene med fononmodus
Fononmodusen til elektroden ble videre brukt av forskerne for å måle suksessen til beregningene deres. Fonon er energienheten som karakteriserer en vibrasjon, eller i dette tilfellet, oscillasjonen til det fangede elektronet.
Forskerne var i stand til å oppnå det ønskede resultatet, en enkelt-fonon-avlesning og bakkekjøling, 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.”
Mer forskning er nødvendig for å sikre at disse metodene kan brukes på kvanteberegning
Forskerne bemerket at ytterligere eksperimentell forskning er nødvendig for å se om metodene deres kan implementeres og brukes på kvanteberegning. I fremtiden tar de sikte på å demonstrere ideen sin med et proof-of-concept-eksperiment.
“Vi planlegger å undersøke planene våre ved å bruke 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.”
