To millisekunder – eller 2 tusendeler av et sekund – er en usedvanlig lang tid i kvanteberegningens verden.
På disse tidsskalaene er øyeblinken – på ett tiendedels sekund – som en evighet.
Nå har et team av forskere ved University of New South Wales (UNSW) Sydney brutt ny mark for å bevise at “spinn-qubits” – egenskaper til elektroner som representerer de grunnleggende informasjonsenhetene i kvantedatamaskiner – kan holde informasjon i opptil to millisekunder. Kjent som “koherenstid”, varigheten av tiden som qubits kan manipuleres i stadig mer kompliserte beregninger, er prestasjonen 100 ganger lengre enn tidligere benchmarks i samme kvanteprosessor.
“Lengre koherenstid betyr at du har mer tid som kvanteinformasjonen din lagres over – som er akkurat det du trenger når du utfører kvanteoperasjoner,” sier doktorgradsstudent Amanda Seedhouse, hvis arbeid med teoretisk kvanteberegning bidro til prestasjonen.
“Koherenstiden forteller deg i utgangspunktet hvor lenge du kan gjøre alle operasjonene i hvilken som helst algoritme eller sekvens du vil gjøre før du har mistet all informasjonen i qubits.”
I kvanteberegning, jo mer du kan holde spinn i bevegelse, jo større er sjansen for at informasjonen kan opprettholdes under beregninger. Når spinn-qubits slutter å spinne, kollapser beregningen og verdiene representert av hver qubit går tapt. Konseptet med å utvide koherens ble allerede bekreftet eksperimentelt av kvanteingeniører ved UNSW i 2016.
Å gjøre oppgaven enda mer utfordrende er det faktum at fremtidens kvantedatamaskiner må holde styr på verdiene til millioner av qubits hvis de skal løse noen av menneskehetens største utfordringer, som jakten på effektive vaksiner, modellering av værsystemer, og forutsi virkningene av klimaendringer.
Sent i fjor løste det samme teamet ved UNSW Sydney et teknisk problem som hadde slått ingeniører i flere tiår med å manipulere millioner av qubits uten å generere mer varme og forstyrrelser. I stedet for å legge til tusenvis av bittesmå antenner for å kontrollere millioner av elektroner med magnetiske bølger, kom forskerteamet opp med en måte å bruke bare én antenne for å kontrollere alle qubits i brikken ved å introdusere en krystall kalt en dielektrisk resonator. Disse resultatene ble publisert i Vitenskapens fremskritt.
Dette løste problemet med plass, varme og støy som uunngåelig ville øke etter hvert som flere og flere qubits blir brakt online for å utføre tankevekkende beregninger som er mulig når qubits ikke bare representerer en eller null som konvensjonelle binære datamaskiner, men både kl. en gang, ved å bruke et fenomen kjent som kvantesuperposisjon.
Global vs individuell kontroll
Denne proof-of-concept-prestasjonen etterlot imidlertid fortsatt noen utfordringer å løse. Hovedforsker Ingvild Hansen sluttet seg til Seedhouse for å ta opp disse problemene i en serie artikler publisert i tidsskriftene Fysisk gjennomgang B, Fysisk gjennomgang A og Anvendt fysikk anmeldelser– den siste avisen publisert denne uken.
Å kunne kontrollere millioner av qubits med bare én antenne var et stort skritt fremover. Men mens kontroll over millioner av qubits samtidig er en stor bragd, vil fungerende kvantedatamaskiner også trenge at de manipuleres individuelt. Hvis alle spinn-qubitene roterer med nesten samme frekvens, vil de ha samme verdier. Hvordan kan vi kontrollere dem individuelt slik at de kan representere ulike verdier i en beregning?
“Først viste vi teoretisk at vi kan forbedre koherenstiden ved å rotere qubitene kontinuerlig,” sier Hansen.
«Hvis du ser for deg en sirkusartist som spinner tallerkener mens de fortsatt spinner, kan forestillingen fortsette. På samme måte, hvis vi kontinuerlig kjører qubits, kan de holde informasjon lenger. Vi viste at slike “kledde” qubits hadde koherenstider på mer enn 230 mikrosekunder [230 millionths of a second].”
Etter at teamet viste at koherenstider kunne utvides med såkalte dressed qubits, var neste utfordring å gjøre protokollen mer robust og å vise at de globalt kontrollerte elektronene også kan kontrolleres individuelt slik at de kunne holde forskjellige verdier som trengs for kompleks beregninger.
Dette ble oppnådd ved å lage det teamet kalte “SMART” qubit-protokollen – sinusformet modulert, alltid roterende og skreddersydd.
I stedet for at qubits snurrer i sirkler, manipulerte de dem til å rocke frem og tilbake som en metronom. Deretter, hvis et elektrisk felt påføres individuelt på en hvilken som helst qubit – som setter det ut av resonans – kan det settes i et annet tempo enn naboene, men fortsatt bevege seg i samme rytme.
“Tenk på det som to barn på en huske som stort sett går fremover og bakover synkronisert,” sier Seedhouse. “Hvis vi gir en av dem et dytt, kan vi få dem til å nå enden av buen i motsatte ender, slik at den ene kan være null når den andre nå er en.”
Resultatet er at ikke bare en qubit kan styres individuelt (elektronisk) mens den er under påvirkning av global kontroll (magnetisk), men koherenstiden er, som tidligere nevnt, vesentlig lengre og egnet for kvanteberegninger.
“Vi har vist en enkel og elegant måte å kontrollere alle qubits på en gang som også kommer med bedre ytelse,” sier Dr. Henry Yang, en av seniorforskerne i teamet.
“SMART-protokollen vil være en potensiell vei for fullskala kvantedatamaskiner.”
Forskerteamet ledes av professor Andrew Dzurak, administrerende direktør og grunnlegger av Diraq, et UNSW spin-out-selskap som utvikler kvantedataprosessorer som kan lages ved bruk av standard silisiumbrikkeproduksjon.
Neste skritt
“Vårt neste mål er å vise at dette fungerer med to-qubit-beregninger etter å ha vist vårt proof-of-concept i vårt eksperimentelle papir med en qubit,” sier Hansen.
“Etter det ønsker vi å vise at vi kan gjøre dette for en håndfull qubits også, for å vise at teorien er bevist i praksis.”
– Denne pressemeldingen ble opprinnelig publisert på University of New South Wales nettsted