Новая архитектура квантовых вычислений обеспечивает кубит электронного заряда со временем когерентности 0,1 миллисекунды
Последовательность является основой эффективного общения, будь то письменное, устное общение или обработка информации. Этот принцип распространяется на квантовые биты или кубиты. Квантовый компьютер однажды сможет решить ранее непреодолимые проблемы в области прогнозирования климата, дизайна материалов, открытия лекарств и многого другого. Команда, возглавляемая Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE), достигла важной вехи на пути к будущим квантовым вычислениям. Они увеличили время когерентности своего нового типа кубита до впечатляющих 0,1 миллисекунды — почти в тысячу раз лучше, чем предыдущий рекорд. Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.
Художественный рендеринг показывает два кубита с длительным временем когерентности и сильной связью.
Фото: Дафей Цзинь / Аргоннская национальная лаборатория / Университет Нотр-Дам.
«Вместо того, чтобы выполнять от 10 до 100 операций за время когерентности обычных кубитов электронного заряда, наши кубиты могут выполнять 10 000 с очень высокой точностью и скоростью», — сказал Дафей Цзинь, профессор Университета Нотр-Дам, работающий совместно с Аргоннским центром наномасштабов. Материалы.
В повседневной жизни 0,1 миллисекунды мимолетны, как мгновение ока. Однако в квантовом мире оно представляет собой достаточно длинное окно, позволяющее кубиту выполнить многие тысячи операций.
В отличие от классических битов, кубиты, по-видимому, могут существовать в обоих состояниях: 0 и 1. Для любого рабочего кубита крайне важно поддерживать это смешанное состояние в течение достаточно длительного времени когерентности. Задача состоит в том, чтобы защитить кубит от постоянного воздействия разрушительного шума из окружающей среды.
Кубиты команды кодируют квантовую информацию о движении (заряде) электрона. По этой причине их называют зарядовыми кубитами.
«Среди различных существующих кубитов кубиты с электронным зарядом особенно привлекательны из-за их простоты в изготовлении и эксплуатации, а также совместимости с существующими инфраструктурами классических компьютеров», — сказал Джин, ведущий исследователь проекта. «Эта простота должна привести к снижению затрат на создание и эксплуатацию крупномасштабных квантовых компьютеров».
Джин — бывший научный сотрудник Центра наноразмерных материалов (CNM), пользовательского центра Министерства энергетики США в Аргонне. Находясь там, он руководил открытием нового типа кубита, о котором сообщалось в прошлом году .
Кубит команды — это одиночный электрон, захваченный на сверхчистой твердой неоновой поверхности в вакууме. Неон важен, потому что он устойчив к помехам со стороны окружающей среды. Неон — один из немногих элементов, которые не вступают в реакцию с другими элементами. Неоновая платформа защищает электронный кубит и по своей сути гарантирует длительное время когерентности.
«Благодаря небольшому объему, занимаемому одиночными электронами твердого неона, кубиты, изготовленные из них, более компактны и перспективны для масштабирования до нескольких связанных кубитов», — сказал Сюй Хань, научный сотрудник CNM, работающий по совместительству в Притцкеровской школе молекулярной медицины. Инженерное дело в Чикагском университете. «Эти атрибуты, наряду со временем когерентности, делают наш электронный кубит исключительно привлекательным».
Продолжая экспериментальную оптимизацию, команда не только улучшила качество неоновой поверхности, но и значительно уменьшила мешающие сигналы. Как сообщает издание Nature Physics , их работа окупилась временем когерентности 0,1 миллисекунды. Это примерно в тысячу раз больше первоначальных 0,1 микросекунды.
«Длительное время жизни нашего электронного кубита позволяет нам контролировать и считывать состояния одного кубита с очень высокой точностью», — сказал Синьхао Ли, постдокторант в Аргонне и соавтор статьи. Это время значительно превышает требования для квантовых вычислений.
Еще одним важным атрибутом кубита является его масштабируемость для связи со многими другими кубитами. Команда достигла важной вехи, показав, что двухэлектронные кубиты могут соединяться с одной и той же сверхпроводящей цепью, так что информация может передаваться между ними через цепь. Это знаменует собой решающий шаг на пути к двухкубитной запутанности, важнейшему аспекту квантовых вычислений.
Команда еще не полностью оптимизировала свой электронный кубит и продолжит работать над еще большим увеличением времени когерентности, а также над запутыванием двух или более кубитов.
Помимо Джина, Хана и Ли, в число авторов Аргонны входят постдоки Сяньцзин Чжоу и Цяньфан Чен. Среди других авторов — соавтор Дэвид И. Шустер, бывший профессор физики Чикагского университета, ныне работающий в Стэнфордском университете, и Сюйфэн Чжан, бывший научный сотрудник CNM, а теперь профессор Северо-Восточного университета. В качестве авторов также указаны Гервин Кулстра, Ге Ян, Бреннан Диздар, Ичжун Хуан и Кристофер С. Ван.
В число сотрудничающих учреждений входят Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Массачусетский технологический институт, Северо-Восточный университет, Стэнфордский университет, Чикагский университет и Университет Нотр-Дам.
