Ny Qubit-gjennombrudd kan revolusjonere kvantedatabehandling

En ny qubit-plattform kan transformere kvanteinformasjonsvitenskap og -teknologi.

Du ser uten tvil denne artikkelen på en digital enhet hvis grunnleggende informasjonsenhet er biten, enten 0 eller 1. Forskere over hele verden kjemper for å utvikle en ny type datamaskin basert på bruk av kvantebiter, eller qubits.

I en artikkel publisert 4. mai 2022 i tidsskriftet Natur, har et team ledet av det amerikanske energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory annonsert etableringen av en ny qubit-plattform dannet ved å fryse neongass til et fast stoff ved svært lave temperaturer, sprøyte elektroner fra en lyspæres glødetråd på det faste stoffet, og fanger et enkelt elektron der. Dette systemet har potensial til å bli utviklet til perfekte byggeklosser for fremtidige kvantedatamaskiner.

“Det ser ut til at en ideell qubit kan være i horisonten. Takket være den relative enkelheten til elektron-på-neon-plattformen, bør den egne seg til enkel produksjon til lave kostnader.” — Dafei Jin, Argonne-forsker ved Center for Nanoscale Materials

For å realisere en nyttig kvantedatamaskin er kvalitetskravene til qubitene ekstremt krevende. Mens det finnes ulike former for qubits i dag, er ingen av dem optimale.

Hva ville være en ideell qubit? Den har minst tre gode kvaliteter, ifølge Dafei Jin, en Argonne-forsker og hovedetterforskeren av prosjektet.

Den kan forbli i en samtidig 0 og 1 tilstand (husk katten!) over lang tid. Forskere kaller dette lange “sammenheng”. Ideelt sett vil den tiden være rundt et sekund, et tidstrinn som vi kan oppfatte på en hjemmeklokke i dagliglivet vårt.

For det andre kan qubit endres fra en tilstand til en annen på kort tid. Ideelt sett ville den tiden vært rundt en milliarddels sekund (nanosekund), et tidstrinn for en klassisk dataklokke.

For det tredje kan qubiten enkelt kobles med mange andre qubits slik at de kan fungere parallelt med hverandre. Forskere omtaler denne koblingen som sammenfiltring.

Selv om de velkjente qubitene for tiden ikke er ideelle, har selskaper som IBM, Intel, Google, Honeywell og mange startups valgt sin favoritt. De driver aggressivt etter teknologisk forbedring og kommersialisering.

“Vårt ambisiøse mål er ikke å konkurrere med disse selskapene, men å oppdage og konstruere et fundamentalt nytt qubit-system som kan føre til en ideell plattform,” sa Jin.

Mens det er mange valg av qubit-typer, valgte teamet den enkleste – et enkelt elektron. Å varme opp en enkel lysglødetråd du kan finne i et barns leketøy kan lett skyte ut en grenseløs tilførsel av elektroner.

En av utfordringene for enhver qubit, inkludert elektronet, er at den er veldig følsom for forstyrrelser fra omgivelsene. Dermed valgte teamet å fange et elektron på en ultraren solid neonoverflate i et vakuum.

Neon er en av en håndfull inerte elementer som ikke reagerer med andre elementer. “På grunn av denne tregheten kan solid neon fungere som det reneste mulige faste stoffet i et vakuum for å være vert for og beskytte eventuelle qubits fra å bli forstyrret,” sa Jin.

En nøkkelkomponent i teamets qubit-plattform er en mikrobølgeresonator i brikkeskala laget av en superleder. (Den mye større hjemmemikrobølgeovnen er også en mikrobølgeresonator.) Superledere – metaller uten elektrisk motstand – lar elektroner og fotoner samhandle sammen i nærheten av[{” attribute=””>absolute zero with minimal loss of energy or information.

“The microwave resonator crucially provides a way to read out the state of the qubit,” said Kater Murch, physics professor at the Washington University in St. Louis and a senior co-author of the paper. “It concentrates the interaction between the qubit and microwave signal. This allows us to make measurements telling how well the qubit works.”

“With this platform, we achieved, for the first time ever, strong coupling between a single electron in a near-vacuum environment and a single microwave photon in the resonator,” said Xianjing Zhou, a postdoctoral appointee at Argonne and the first author of the paper. “This opens up the possibility to use microwave photons to control each electron qubit and link many of them in a quantum processor,” Zhou added.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years.” — David Schuster, physics professor at the

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years,” said David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper. “This is only our first series of experiments. Our qubit platform is nowhere near optimized. We will continue improving the coherence times. And because the operation speed of this qubit platform is extremely fast, only several nanoseconds, the promise to scale it up to many entangled qubits is significant.”

There is yet one more advantage to this remarkable qubit platform.“Thanks to the relative simplicity of the electron-on-neon platform, it should lend itself to easy manufacture at low cost,” Jin said. “It would appear an ideal qubit may be on the horizon.”

Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x

The team published their findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin and Zhou, Argonne contributors include Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li and Ralu Divan. In addition to David Schuster, the University of Chicago contributors also include Brennan Dizdar. In addition to Kater Murch of Washington University in St. Louis, other researchers include Wei Guo of

Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research.