Als je ooit hebt geprobeerd een gesprek te voeren in een lawaaierige kamer, kun je je verhouden tot de wetenschappers en ingenieurs die de signalen van experimentele kwantumcomputers, qubits genaamd, proberen te 'horen'. Deze basiseenheden van kwantumcomputers zijn vroeg in hun ontwikkeling en blijven temperamentvol, onderhevig aan allerlei soorten interferentie. Verdwaalde "ruis" kan zich voordoen als een functionerende qubit of deze zelfs onbruikbaar maken.

Dat is de reden waarom natuurkundige Christian Boutan en zijn collega's van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) onlangs in de feestmodus waren toen ze PNNL's eerste functionele supergeleidende qubit lieten zien. Het is niet veel om naar te kijken. De behuizing - ter grootte van een pakje kauwgom - is verbonden met draden die signalen verzenden naar een nabijgelegen paneel van aangepaste radiofrequentie-ontvangers. Maar het belangrijkste is dat het is genesteld in een glanzende gouden cocon, een verdunningskoelkast genaamd, en afgeschermd van verdwaalde elektrische signalen. Als de koelkast in bedrijf is, is hij een van de koudste plekken op aarde, dus heel dicht bij het absolute nulpunt, minder dan 6 millikelvin (ongeveer -460 graden F).

De extreme kou en isolatie transformeren het gevoelige supergeleidende apparaat in een functionele qubit en vertragen de beweging van atomen die de qubit-toestand zouden vernietigen. Vervolgens luisteren de onderzoekers naar een karakteristiek signaal, een blip op hun radiofrequentie-ontvangers. De blip is verwant aan radarsignalen die het leger gebruikt om de aanwezigheid van vliegtuigen te detecteren. Net zoals traditionele radarsystemen radiogolven uitzenden en vervolgens luisteren naar terugkerende golven, hebben de natuurkundigen van PNNL een detectietechniek bij lage temperatuur gebruikt om de aanwezigheid van een qubit te "horen" door zorgvuldig vervaardigde signalen uit te zenden en het terugkerende bericht te decoderen.

"Je fluistert tegen de qubit en luistert naar de resonator", zei Boutan, die het eerste qubit-testbed van PNNL in elkaar zette. "Als je de juiste frequentie raakt met een signaal dat naar de qubit wordt gestuurd, zie je de piek van de resonatorverschuiving. De toestand van de qubit verandert de resonatorfrequentie. Dat is de signaalverschuiving waar we naar luisteren."

Dit is niet direct het meten van het kwantumsignaal, maar het zoeken naar het spoor dat het achterlaat. Een van de vele eigenaardigheden van kwantumcomputing is dat wetenschappers de kwantumtoestand niet rechtstreeks kunnen meten. In plaats daarvan onderzoeken ze de impact ervan op de strategisch voorbereide omgeving eromheen. Daarom is de expertise van PNNL op het gebied van radiofrequentietransmissie en signaaldetectie essentieel, zei Boutan. Elke ongecontroleerde achtergrondruis kan de qubit-coherentie vernietigen.

Al deze speciale zorg is nodig omdat de kwantumsignalen die het onderzoeksteam probeert te detecteren en op te nemen vrij gemakkelijk kunnen worden overspoeld door concurrerende "ruis" van verschillende bronnen, inclusief de materialen in de qubit zelf.

Kwantumfocus

Het is nog vroeg in quantum computing. Bestaande prototypes, zoals die in het natuurkundig laboratorium van PNNL, kunnen worden vergeleken met de Macintosh-pc toen Apple-oprichter Steve Jobs en zijn vrienden uit hun garage tevoorschijn kwamen. Alleen zijn de investeringen en de inzet veel hoger in dit stadium van het kwantumcomputertijdperk.

Wetenschappers zijn vooral gericht op het potentieel van kwantumcomputers om dringende problemen op het gebied van energieproductie, -gebruik en duurzaamheid op te lossen. Dat is de reden waarom de investering van de Amerikaanse overheid alleen al meer dan $ 1 miljard bedraagt ​​via het National Quantum Initiative en de National Quantum Information Science (QIS) Research Centers van het Department of Energy, die zich richten op het vooruithelpen van de wetenschap van quantum computing.

PNNL, dat een bijdrage levert aan drie van de vijf QIS-centra, werkt aan verschillende aspecten van kwantuminformatiewetenschappen, waaronder het onthullen en elimineren van de bronnen van interferentie en ruis die qubits uit de bruikbare staat halen die 'coherentie' wordt genoemd, door computercodes te schrijven die profiteren van deze kwantumcomputers en het materiaalontwerp en de constructie van de qubits zelf verbeteren. Boutans onderzoek naar microgolfkwantumdetectie wordt ondersteund door het Laboratory Directed Research and Development-programma van PNNL.

Het verzorgen en voeren van qubits

Supergeleidende qubits zijn gemaakt van exotische metalen die reageren met zuurstof in de atmosfeer, waardoor metaaloxiden ontstaan. Je hebt dit zien gebeuren als ijzer in roest verandert.

"Het is een materiaalprobleem", zegt Brent VanDevender, een PNNL-natuurkundige die werkt aan storingsbronnen in qubits. "We noemen ze systemen met twee niveaus. De term verwijst naar alle defecten in je materiaal, zoals de oxiden, die het qubit-gedrag kunnen nabootsen en energie kunnen stelen."

PNNL-materiaalwetenschapper Peter Sushko en zijn collega's werken aan de uitdaging om qubit "roest" te stoppen met medewerkers aan de Princeton University via hun aansluiting bij het C2QA QIS Center. Daar heeft een team van onderzoekers een van de meest duurzame qubits ontwikkeld die tot nu toe zijn gerapporteerd. En toch vormen zich snel metaaloxiden op het blootgestelde oppervlak van deze supergeleidende qubit-apparaten.

In samenwerking met hun Princeton-medewerkers hebben Sushko en zijn team een ​​beschermende coating voorgesteld die kan interfereren met zuurstof in de lucht die in wisselwerking staat met het oppervlak van qubits en ervoor zorgt dat ze oxideren.

"Ons doel is om wanorde te verwijderen en compatibel te zijn met de onderliggende structuur", zei Sushko. "We kijken naar een beschermende laag die er op een ordelijke manier bovenop zit en oxidatie voorkomt, waardoor de effecten van wanorde worden geminimaliseerd."

Dit onderzoek bouwt voort op fundamenteel onderzoek door PNNL-materiaalwetenschapper Marvin Warner en collega's. Ze hebben een schat aan kennis opgebouwd over hoe gevoelige supergeleidende metalen apparaten kunnen worden afgeschermd door een microcoating aan te brengen die het oppervlak effectief beschermt tegen schade die de prestaties kan beïnvloeden.

"Het beheersen van oppervlaktechemie om opkomende kwantumeigenschappen van een materiaal te beschermen, is een belangrijke benadering voor het ontwikkelen van stabielere en robuustere apparaten", zei Warner. "Het speelt perfect in op de sterke punten van PNNL als chemisch laboratorium."

Binnenkort zal het team de voorgestelde oplossing bouwen in het Quantum Device Nanofabrication Laboratory van Princeton University. Eenmaal gebouwd, zal het een reeks tests ondergaan. Als dit lukt, kan de qubit klaar zijn voor rigoureuze tests van zijn levensduur wanneer hij wordt geconfronteerd met qubit-coherentie-vernietigende bombardementen door atmosferische straling, ook bekend als kosmische straling.

Ondergronds gaan

Het aantal plaatsen in de Verenigde Staten dat is opgezet om qubit-getrouwheid te bestuderen in een goed afgeschermde ondergrondse omgeving, is op één hand te tellen. Binnenkort zit PNNL er tussen. De voorbereidingen voor het opzetten van een ondergrondse qubit-testfaciliteit binnen het Shallow Underground Laboratory van PNNL zijn in volle gang. Tientallen jaren van onderzoek naar de effecten van ioniserende straling hebben wetenschappers van PNNL voorbereid om vast te stellen hoe goed kwantumapparaten interferentie van bombardementen door natuurlijke stralingsbronnen kunnen verdragen. Hier zijn onderzoekers en technici bezig met het opzetten van een verdunningskoelkast vergelijkbaar met die in het natuurkundig laboratorium van PNNL.

In een ultraschone ruimte met toonaangevende ultrazuivere materiaalsynthese en ultralage detectie van achtergrondstraling, zullen experimentele qubits tot het uiterste worden getest in een aangepaste, met lood afgeschermde omgeving die externe gammastraling met meer dan 99 procent vermindert.

Binnen het jaar zal PNNL klaar zijn om de volledige cyclus van qubit-testen te voltooien, van ontwerp en theorie tot microfabricage, tot omgevingstests, tot implementatie met onderzoekspartners.

"Volledig functionele kwantumcomputers zullen alleen nuttig zijn als ze betrouwbaar worden", zegt Warner. "Met onze onderzoekspartners bereiden we ons vandaag voor om dat tijdperk vandaag in te luiden." + Verder verkennen

Ontwikkeling van de volgende generatie kwantumalgoritmen en materialen