Kubitteja kiertäen ja kaartaen

Uudessa teoreettisessa tutkimuksessa Caltechin fyysikot ovat osoittaneet, kuinka molekyylejä voidaan teoriassa käyttää vähentämään virheitä kvanttilaskennassa. Tähän strategiaan sisältyisi pyörivän molekyylin sijoittaminen "superpositioon", mikä tarkoittaa, että se olisi olemassa useissa suunnissa kerrallaan. Kuvassa kolme erilaista molekyylisuuntaa vasemmalla ja oikeanpuoleinen kuva tarkoittaa näiden molekyylitilojen päällekkäisyyttä.

Monet kvanttitietokoneiden strategioista tai suunnitelmista perustuvat atomeihin tai keinotekoisiin atomimaisiin piireihin. Uudessa teoreettisessa tutkimuksessa ryhmä Caltechin fyysikkoja osoittaa vähemmän tutkitun lähestymistavan edut, joka ei perustu atomiin vaan molekyyleihin.

Tutkijoiden mukaa kvanttitietokonealusta joka käyttää molekyyleistä tehtyjä kubitteja, bitin kääntymisen liittyvät virheet estetään todennäköisemmin kuin muilla kvanttialustoilla.

Jo 20 vuotta sitten Gottesman, Kitaev ja Preskill ehdottivat tapaa kiertää Heisenbergin epävarmuusperiaatetta, jonka mukaan yhtä aikaa ei voi tietää erittäin tarkasti sekä hiukkasen paikkaa että sen liikemomenttia.

Epävarmuusperiaate on haaste kvanttitietokoneille, koska se tarkoittaa, että kubittien kvanttitiloja ei voida tuntea riittävän hyvin sen määrittämiseksi, onko virheitä ilmennyt. Vaikka hiukkasen tarkkaa sijaintia ja liikemäärää ei voi mitata, oli kuitenkin mahdollista havaita hyvin pienet siirtymät sen paikassa ja liikemäärässä. Nämä muutokset voivat paljastaa, että on tapahtunut virhe. Tämä virheenkorjausmenetelmä, joka tunnetaan löytäjiensä jälkeen nimellä GKP, on hiljattain toteutettu esimerkiksi suprajohtavissa piirilaitteissa.

Uudessa artikkelissa tätä käsitettä sovelletaan pyöriviin molekyyleihin superpositiossa. Jos molekyylin suunta tai kulmamomentti siirtyy pienellä määrällä, ne voidaan samanaikaisesti korjata.

Caltechin Jacob Covey sanoo, että voi olla mahdollista lopulta yksittäin ohjata molekyylejä käytettäväksi kvanttitietojärjestelmissä. Hän ja hänen tiiminsä ovat edistyneet optisten lasersäteiden tai "pinsettien" käyttämisessä yksittäisten neutraalien atomien hallitsemiseksi (neutraalit atomit ovat eräs uusi lupaava alusta kvanttitietojärjestelmille).

Caltechin kvanttifysiikoiden ryhmä onkin äskettäin edistynyt myös työssä, jossa hyödynnetään monimutkaista neutraalien atomien luokkaa, jota kutsutaan maa-alkaliatomeiksi, käytettäväksi kvanttitietokoneissa. Näillä atomeilla, joihin kuuluvat magnesium, kalsium ja strontium, on kaksi elektronia ulommilla alueilla tai kuorilla. Aiemmin on tutkittu atomeja joiden ulkokuorilla on vain yksi elektroni

Työssään tutkijat käyttivät optisia pinsettejä, jotka ovat pohjimmiltaan lasersäteitä, jotka voivat ohjata ja hallita yksittäisiä atomeja. Pinseteillä houkuteltiin kahta strontiumatomia lomittumaan. Se tapahtui tarkkuudella, joka on verrattavissa muihin kvanttilaskennan alustoihin. Suurempi kuva

Tohokun yliopiston johdolla tutkijat ovat puolestaan kasvattaneet kvanttibitin koherenssiajan 10 millisekuntiin – 10 000 kertaa pidempään kuin edellinen ennätys - yhdistämällä atomin sisäisen kiertorataliikkeen ja spinnauksen.

"Määritimme spin-kiertoradan kubitin käyttämällä varautunutta hiukkasta, joka ilmenee piikiteen epäpuhtausatomiin juuttuneena aukkona," kertoi tutkija Takashi Kobayashi.

"Kiertoradan liike ja aukon spinnaus ovat vahvasti kytketty ja lukittu yhteen. Tämä muistuttaa paria hammaspyörästöä, joissa pyörimisliike ja spinnaus on lukittu yhteen." Suurempi kuva

Aukkojen koodaamat spin-kiertoradat ovat erityisen herkkiä sähkökentille, mikä mahdollistaa nopeamman hallinnan ja hyödyttää kvanttitietokoneiden laajentamista. Kuitenkin sähköinen kohina vaikuttaa kubitteihin, mikä rajoittaa niiden koherenssiaikaa.

"Tässä työssä olemme luoneet meidän spin-kiertoradan kubitille herkkyyttä sähkökentälle venyttämällä piikidettä kuin kuminauhaa", Kobayashi sanoo. "Tämä spin-kiertoradan kiertoradan kubitin mekaniikka antaa mahdollisuuden pidentää huomattavasti koherenssiaikaa, mutta säilyttää silti kohtuullisen sähköisen herkkyyden spin-kiertoradan kubitin hallitsemiseksi."

Aiheesta aiemmin: Kvanttitietotekniikkaa kesäkaudelta