Veijo Hänninen

Uusia menetelmiä kvanttilaskentaan

Kvanttitietotekniikan tutkimus tuo esiin yhä uusia ja lupaavampia tapoja käsitellä ja siirrellä kubitteja.

Amsterdamin yliopiston fyysikot ovat ehdottaneet uutta arkkitehtuuria skaalautuvalle kvanttitietokoneelle. Hyödyntämällä aineosien kollektiivista liikettä he pystyivät rakentamaan kvanttilaskentaan uusia rakenneosia, jotka aiheuttavat vähemmän teknisiä vaikeuksia kuin nykyiset huipputekniikat.

Tutkijat työskentelevät QuSoftissa ja Fysiikan instituutissa Rene Gerritsman ja Arghavan Safavi-Nainin ryhmissä. Tohtorikandidaatin Matteo Mazzantin johtamassa ponnistelussa yhdistyy kaksi tärkeää ainesosaa.

Yksi on ansoitetun ionin alusta, yksi lupaavimpia ehdokkaita kvanttilaskentaan. Toinen on näppärän menetelmän käyttö hallita ioneja joita toimitetaan optisten pinsettien ja värähtelevien sähkökenttien avulla.

Ansoitetun ionin alustalla ionit voivat liikkua yksittäin, mutta mikä tärkeintä, myös kokonaisuutena. Kuten käy ilmi, ionien mahdolliset kollektiiviset liikkeet helpottavat yksittäisten ioniparien välisiä vuorovaikutuksia.

Ehdotuksessa tämä ajatus konkretisoituu kohdistamalla yhtenäinen sähkökenttä koko kiteeseen, jotta voidaan välittää vuorovaikutuksia kahden tietyn ionin välillä kyseisessä kiteessä. Molemmat ionit valitaan käyttämällä pinsettipotentiaalia.

Sähkökentän homogeenisuus varmistaa, että vain nämä kaksi ionia liikkuvat yhdessä, joten näiden kahden valitun ionin välinen vuorovaikutusvoimakkuus on kiinteä riippumatta siitä, kuinka kaukana toisistaan nämä kaksi ionia ovat.

Kvanttitietokone koostuu porteista, jotka suorittavat kvanttianalogeja operaatioille, kuten "ja" ja "tai", jotka tunnemme tavallisista tietokoneista.

Loukkuun jääneissä ioneissa kvanttitietokoneissa nämä portit vaikuttavat ioneihin ja niiden toiminta riippuu näiden hiukkasten välisistä vuorovaikutuksista. Yllä olevassa asetelmassa se tosiasia, että nämä vuorovaikutukset eivät riipu etäisyydestä, tarkoittaa, että myös portin toiminnan kesto on riippumaton tästä etäisyydestä.

Tämän seurauksena tämä kvanttilaskennan järjestelmä on luonnostaan skaalautuva ja verrattuna muihin huippuluokan kvanttilaskentamenetelmiin se asettaa vähemmän teknisiä haasteita saavuttaa verrattain hyvin toimivia kvanttitietokoneita.

Ioni kulkee lasersäteessä

Myös lasersäteellä viritettyjä loukkuun jääneitä ioneja voidaan käyttää lomittuneiden kubittien luomiseen kvanttitietojärjestelmissä, mutta useiden paikallaan olevien ioniparien käsitteleminen ansassa vaatii useita optisia kytkimiä ja monimutkaisia ohjaimia.

Nyt Georgia Tech Research Instituten (GTRI) tutkijat ovat osoittaneet uuden lähestymistavan, joka siirtää loukkuun jääneet ioniparit yhden lasersäteen kautta, mikä saattaa vähentää tehovaatimuksia ja yksinkertaistaa järjestelmää.

Asiakirjassa tutkijat kuvaavat kahden kubitin lomittuneen portin toteuttamista siirtämällä pintaelektrodiloukussa olevia kalsiumioneja kiinteän kaksikromaattisen optisen säteen läpi.

"Olemme osoittaneet, että ionikuljetus on mielenkiintoinen työkalu, jota voidaan soveltaa ainutlaatuisilla tavoilla lomittuvan tilan tuottamiseen käyttämällä hienoa ionien kuljetuksen hallintaa", sanoo tutkimusta johtanut GTRI-tutkija Holly Tinkey. "Useimmat ioniloukkukokeet hallitsevat jonkin verran ionien liikettä, joten olemme osoittaneet, että voimme mahdollisesti integroida tämän olemassa olevan kuljetuksen kvanttilogiikkatoimintoihin."

Kubitteja atomeista

Fyysikot havaitsevat, että värähtelevät atomit tekevät kestäviä kubitteja

MIT:n fyysikot ovat löytäneet uuden kubitin värähtelevien atomiparien muodossa, jotka tunnetaan fermioneina. He havaitsivat, että kun fermioniparit jäähtyvät ja ansoittuvat optiseen hilaan, hiukkaset voivat esiintyä samanaikaisesti kahdessa tilassa eli superpositiossa.

Tässä tapauksessa atomeilla oli kahden värähtelytilan superpositio, jossa pari huojui toisiaan vasten samalla kun keinuivat tahdissa samaan aikaan.

Tiimi pystyi ylläpitämään tämän superpositiotilan satojen värähtelevien fermioniparien joukossa. Näin tehdessään he saavuttivat uuden "kvanttirekisterin" tai kubittijärjestelmän, joka näyttää olevan vankka suhteellisen pitkiä aikoja.

Superposition herkässä välitilassa kubitin pitäisi kyetä kommunikoimaan samanaikaisesti monien muiden kubittien kanssa ja prosessoimaan useita tietovirtoja kerralla.

MIT-tiimin uusi kubitti näyttää olevan erittäin vankka ja se pystyy ylläpitämään superpositiota kahden värähtelytilan välillä, jopa ympäristökohinan keskellä 10 sekunnin ajan. Tiimi uskoo, että uudet värähtelevät kubitit voitaisiin saada lyhytaikaiseen vuorovaikutukseen ja ne voisivat suorittaa kymmeniä tuhansia operaatioita silmänräpäyksessä.

Ryhmän löytö tapahtui alun perin sattumalta. Zwierleinin ryhmä tutkii atomien käyttäytymistä erittäin kylmillä, erittäin pienillä tiheyksillä. Kun atomit jäähdytetään miljoonasosaan tähtienvälisen avaruuden lämpötiloihin ja eristetään miljoonasosaan ilman tiheydestä, voi ilmaantua kvantti-ilmiöitä ja uusia aineen tiloja.

"Nyt osoitamme, että hallitsemme täysin näiden kubittien tiloja", Zwierlein sanoo.

"Tämä on järjestelmä, josta tiedämme, että voimme saada kaksi kubittia vuorovaikutukseen", hän sanoo. "On olemassa tapoja alentaa parien välistä estettä niin, että ne tulevat yhteen, ovat vuorovaikutuksessa ja sitten jakautuvat uudelleen, noin yhden millisekunnin ajan. Joten on olemassa selkeä tie kahden kubitin portille, jota tarvitset kvanttitietokoneen tekemiseen."

Atomien ketjuttaminen tuottaa kvanttivaraston

Caltechin insinöörit ovat puolestaan kehittäneet kvanttitallennusmenetelmän, joka voisi auttaa tasoittamaan tietä laajamittaisten optisten kvanttiverkkojen kehittämiselle.

Uusi järjestelmä perustuu ydinspineihin - atomin ytimen kulmaliikemäärään - jotka värähtelevät kollektiivisesti spinaaltoina. Tämä kollektiivinen värähtely ketjuttaa tehokkaasti useita atomeja informaation tallentamiseksi.

Työssä hyödynnetään kubittia, joka on valmistettu ytterbiumin (Yb) ionista, harvinaisesta maametallista.

Sovelletun fysiikan ja sähkötekniikan professori Andrei Faraonin johtama ryhmä upotti ionin läpinäkyvään yttriumortovanadaattikiteeseen (YVO4) ja manipuloi sen kvanttitiloja optisten ja mikroaaltokenttien yhdistelmän avulla. Sitten ryhmä käytti Yb-kubittia kontrolloidakseen useiden ympäröivien vanadiiniatomien ydinspinien tilaa kiteen sisällä.

"Edellisen työmme perusteella yksittäisten ytterbium-ionien tiedettiin olevan erinomaisia kandidaatteja optisiin kvanttiverkkoihin, mutta meidän piti yhdistää ne lisäatomeihin. Osoitamme sen tässä työssä", sanoo Faraon.

Käyttämällä ytterbiumia ohjaamaan neljää vanadiiniatomia samanaikaisesti, insinöörit pystyivät toteuttamaan kaksikubittisen prosessorin, joka on tärkeä rakennuspalikka kvanttitietokoneiden ja kvanttiverkkojen kehittämisessä.

Tämä tutkimus on osa Faraonin laboratorion laajempaa pyrkimystä luoda perusta tuleville kvanttiverkoille.

Tallentaa kvantti-informaatiota huoneenlämpötilassa

Tutkijat ovat löytäneet kaksiulotteisen materiaalin, jota voitaisiin käyttää kvantti-informaation tallentamiseen huoneenlämpötilassa.

Kvanttimuisti on tärkeä rakennuspalikka, jota on käsiteltävä kvantti-internetin rakentamisessa, jossa kvantti-informaatio tallennetaan turvallisesti ja lähetetään fotonien kautta.

Cambridgen yliopiston Cavendish-laboratorion tutkijat ovat yhteistyössä Australian Sydneyn yliopiston kollegoiden kanssa tunnistaneet kaksiulotteisen materiaalin, kuusikulmainen boorinitridin, joka voi säteillä yksittäisiä fotoneja sen rakenteen atomimittakaavaisista vioista huoneenlämpötilassa.

Tutkijat havaitsivat, että näistä eristetyistä vioista säteilevä valo antaa tietoa kvanttiominaisuudesta, jota voidaan käyttää kvantti-informaation tallentamiseen eli spinistä, mikä tarkoittaa, että materiaali voisi olla hyödyllinen kvanttisovelluksissa. Tärkeää on, että kvanttispiniin pääsee käsiksi valon kautta ja huoneenlämpötilassa.

Löytö voisi lopulta tukea skaalautuvia kvanttiverkkoja, jotka on rakennettu kaksiulotteisista materiaaleista, jotka voivat toimia huoneenlämmössä.

Tulevat viestintäverkot käyttävät yksittäisiä fotoneja viestien lähettämiseen ympäri maailmaa, mikä johtaa turvallisempiin globaaleihin viestintätekniikoihin.

"Yleensä boorinitridi on melko tylsä materiaali, jota käytetään tavallisesti eristeenä", sanoi Stern, joka on nuorempi tutkija Trinity Collegessa. "Mutta huomasimme, että tässä materiaalissa on vikoja, jotka voivat emittoida yksittäisiä fotoneja, mikä tarkoittaa, että sitä voitaisiin käyttää kvanttijärjestelmissä. Jos saamme sen todella tallentamaan kvantti-informaatiota spinissä, siinä on skaalautuva alusta."

Kubitteja mikromekaanisista resonaattoreista

National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkijat ja heidän kollegansa ovat kehittäneet instrumentin, joka kuvaa mikromekaanisien resonaattorien akustisia aaltoja useilla taajuuksilla ja tuottaa niistä "elokuvia" ennennäkemättömän yksityiskohtaisesti.

Tutkijat mittasivat jopa 12 gigahertsin akustisia värähtelyjä ja voivat laajentaa mittaukset 25 GHz:iin, mikä tarjoaa tarvittavan taajuuspeiton 5G-viestintään sekä mahdollisesti tehokkaita tulevaisuuden kvantti-informaation sovelluksia varten

Viimeisen vuosikymmenen aikana fyysikot ovat ehdottaneet, että tällä taajuusalueella olevat mikromekaaniset resonaattorit voisivat tallentaa myös haurasta kvantti-informaatiota ja siirtää dataa kvanttitietokoneen yhdestä osasta toiseen.

Helmikuu 2022