Met een nieuwe methode kan de kwantumtoestand van atomaire "qubits" - de basiseenheid van informatie in kwantumcomputers - worden gemeten met twintig keer minder fouten dan voorheen mogelijk was, zonder atomen te verliezen. Nauwkeurig meten van qubit-statussen, die analoog zijn aan de één of nul toestanden van bits in traditioneel computergebruik, is een cruciale stap in de ontwikkeling van kwantumcomputers. Een paper waarin de methode door onderzoekers van Penn State wordt beschreven, verschijnt op 25 maart, 2019 in het journaal Natuurfysica .

"We werken aan de ontwikkeling van een kwantumcomputer die een driedimensionale reeks lasergekoelde en opgesloten cesiumatomen als qubits gebruikt, " zei David Weiss, hoogleraar natuurkunde aan Penn State en de leider van het onderzoeksteam. "Vanwege hoe de kwantummechanica werkt, de atomaire qubits kunnen bestaan ​​in een 'superpositie' van twee toestanden, wat betekent dat ze kunnen zijn, in zekere zin, in beide staten tegelijk. Om het resultaat van een kwantumberekening uit te lezen, het is noodzakelijk om op elk atoom een ​​meting uit te voeren. Elke meting vindt elk atoom in slechts één van zijn twee mogelijke toestanden. De relatieve waarschijnlijkheid van de twee resultaten hangt af van de superpositie vóór de meting."

Om qubit-statussen te meten, het team gebruikt eerst lasers om ongeveer 160 atomen af ​​te koelen en op te sluiten in een driedimensionaal rooster met X, ja, en Z-assen. aanvankelijk, de lasers vangen alle atomen op identieke wijze op, ongeacht hun kwantumtoestand. De onderzoekers roteren vervolgens de polarisatie van een van de laserstralen die het X-rooster creëert, die ruimtelijk atomen in de ene qubit-toestand naar links en atomen in de andere qubit-toestand naar rechts verschuift. Als een atoom begint in een superpositie van de twee qubittoestanden, het eindigt in een superpositie van naar links en naar rechts zijn verplaatst. Ze schakelen dan over naar een X-rooster met een kleinere roosterafstand, die de atomen stevig opsluit in hun nieuwe superpositie van verschoven posities. Wanneer het licht vervolgens door elk atoom wordt verstrooid om te zien waar het is, elk atoom wordt ofwel naar links verschoven ofwel naar rechts verschoven gevonden, met een kans die afhangt van de begintoestand. De meting van de positie van elk atoom is gelijk aan een meting van de initiële qubit-toestand van elk atoom.

"Het in kaart brengen van interne toestanden op ruimtelijke locaties gaat een heel eind om dit een ideale meting te maken, "zei Weiss. "Een ander voordeel van onze aanpak is dat de metingen niet leiden tot het verlies van een van de atomen die we meten, dat is een beperkende factor in veel eerdere methoden."

Het team bepaalde de nauwkeurigheid van hun nieuwe methode door hun roosters te laden met atomen in de ene of de andere qubit-toestanden en de meting uit te voeren. Ze waren in staat om atoomtoestanden nauwkeurig te meten met een getrouwheid van 0,9994, wat betekent dat er slechts zes fouten in 10 waren, 000 metingen, een twintigvoudige verbetering ten opzichte van eerdere methoden. Aanvullend, het foutenpercentage werd niet beïnvloed door het aantal qubits dat het team in elk experiment heeft gemeten en omdat er geen verlies van atomen was, de atomen kunnen worden hergebruikt in een kwantumcomputer om de volgende berekening uit te voeren.

"Onze methode is vergelijkbaar met het Stern-Gerlach-experiment uit 1922 - een experiment dat een integraal onderdeel is van de geschiedenis van de kwantumfysica, "zei Weiss. "In het experiment, een bundel zilveratomen werd door een magnetische veldgradiënt geleid met hun noordpolen loodrecht op de gradiënt uitgelijnd. Toen Stern en Gerlach de helft van de atomen omhoog en de helft omlaag zagen afbuigen, het bevestigde het idee van kwantumsuperpositie, een van de bepalende aspecten van de kwantummechanica. In ons experiment, we brengen ook de interne kwantumtoestanden van atomen in kaart op posities, maar we kunnen het atoom voor atoom doen. Natuurlijk, we hoeven dit aspect van de kwantummechanica niet te testen, we kunnen het gewoon gebruiken."