Fysikere gjør sprang i å lese ut qubits med laserlys

Qubits er en grunnleggende byggestein for kvantedatamaskiner, men de er også notorisk skjøre – vanskelige å observere uten å slette informasjonen deres i prosessen. Nå kan ny forskning fra University of Colorado Boulder og National Institute of Standards and Technology (NIST) være et sprang fremover for å håndtere qubits med en lett berøring.

I studien demonstrerte et team av fysikere at det kunne lese ut signalene fra en type qubit kalt en superledende qubit ved hjelp av laserlysog uten å ødelegge qubiten samtidig.

Gruppens resultater kan være et stort skritt mot å bygge en hvor mye internett, sier forskerne. Et slikt nettverk vil koble sammen dusinvis eller til og med hundrevis av kvantebrikker, slik at ingeniører kan løse problemer som er utenfor rekkevidden til selv de raskeste superdatamaskinene i dag. De kan også teoretisk sett bruke et lignende sett med verktøy for å sende uknuselige koder over lange avstander.

Studien, som vises 15. juni i tidsskriftet Naturble ledet av JILA, et felles forskningsinstitutt mellom CU Boulder og NIST.

“Foreløpig er det ingen måte å sende kvantesignaler mellom fjerntliggende superledende prosessorer som vi sender signaler mellom to klassiske datamaskiner,” sa Robert Delaney, hovedforfatter av studien og en tidligere doktorgradsstudent ved JILA.

Delaney forklarte at de tradisjonelle bitene som kjører den bærbare datamaskinen din er ganske begrenset: De kan bare ta en verdi på null eller én, tallene som ligger til grunn for mest dataprogrammering til dags dato. Qubits, derimot, kan være nuller, enere eller, gjennom en egenskap kalt “superposisjon”, eksistere som nuller og enere på samme tid.

Men å jobbe med qubits er også litt som å prøve å fange et snøfnugg i den varme hånden. Selv den minste forstyrrelsen kan kollapse den superposisjonen, og få dem til å se ut som vanlige biter.

I den nye studien viste Delaney og hans kolleger at de kunne komme seg rundt denne skjørheten. Teamet bruker et skivetynt stykke silisium og nitrogen for å transformere signalet som kommer ut av en superledende qubit til synlig lys— den samme typen lys som allerede bærer digitale signaler fra by til by gjennom fiberoptiske kabler.

“Forskere har gjort eksperimenter for å trekke ut optisk lys fra en qubit, men å ikke forstyrre qubiten i prosessen er en utfordring,” sa studiemedforfatter Cindy Regal, JILA-stipendiat og førsteamanuensis i fysikk ved CU Boulder.

Kvantesprang

Det er mange forskjellige måter å lage en qubit på, la hun til.

Noen forskere har satt sammen qubits ved å fange et atom i laserlys. Andre har eksperimentert med å legge inn qubits i diamanter og andre krystaller. Selskaper som IBM og Google har begynt å designe kvantedatabrikker ved å bruke qubits laget av superledere.

Superledere er materialer som elektroner kan farte rundt uten motstand. Under de rette omstendighetene vil superledere sende ut kvantesignaler i form av bittesmå lyspartikler, eller “fotoner”, som svinger kl. mikrobølgefrekvenser.

Og det er der problemet starter, sa Delaney.

For å sende slike kvantesignaler over lange avstander, må forskere først konvertere mikrobølgefotoner til synlig lys, eller optiske, fotoner – som kan suse i relativ sikkerhet gjennom nettverk av fiberoptiske kabler over byen eller til og med mellom byer. Men når det kommer til kvantedatamaskiner, er det vanskelig å oppnå denne transformasjonen, sa studiemedforfatter Konrad Lehnert.

Delvis er det fordi et av hovedverktøyene du trenger for å gjøre mikrobølgefotoner til optiske fotoner, er laserlys, og lasere er nemesis av superledende qubits. Hvis til og med ett bortkommen foton fra en laserstråle treffer qubiten din, vil den slettes fullstendig.

“Skjørheten til qubits og den vesentlige inkompatibiliteten mellom superledere og laserlys forhindrer vanligvis denne typen avlesning,” sa Lehnert, en NIST og JILA-stipendiat.

Hemmelige koder

For å komme seg rundt hindringen vendte teamet seg til en mellomting: et tynt stykke materiale kalt en elektrooptisk transduser.

Delaney forklarte at teamet begynner med å zappe den waferen, som er for liten til å se uten mikroskop, med laserlys. Når mikrobølgefotoner fra en qubit støter inn i enheten, vingler den og spytter ut flere fotoner – men disse svinger nå med en helt annen frekvens. Mikrobølgelys går inn, og synlig lys kommer ut

I den siste studien testet forskerne sin transduser ved å bruke en ekte superledende qubit. De oppdaget at det tynne materialet kunne oppnå denne switcheroo samtidig som de effektivt holdt de dødelige fiendene, qubits og lasere, isolert fra hverandre. Med andre ord lekket ingen av fotonene fra laserlyset tilbake for å forstyrre superlederen.

“Vår elektro-optiske transduser har ikke mye effekt på qubit,” sa Delaney.

Teamet har ikke kommet til et punkt hvor det kan overføre faktisk kvanteinformasjon gjennom transduceren. Blant andre problemer er ikke enheten spesielt effektiv ennå. Det tar ca 500 mikrobølgefotoneri gjennomsnitt for å produsere en singel synlig lys foton.

Forskerne jobber for tiden med å forbedre denne hastigheten. Når de gjør det, kan nye muligheter dukke opp i kvanteriket. Forskere kan teoretisk sett bruke et lignende sett med verktøy for å sende kvantesignaler over kabler som automatisk vil slette informasjonen deres når noen prøver å lytte.

Mission Impossible gjort virkelig, med andre ord, og alt takket være de sensitive qubit.

---

---