Wetenschap
Onderzoekers bouwen een nieuw apparaat dat de basis vormt voor quantum computing
Wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Massachusetts Amherst hebben een apparaat, een microgolfcirculator genaamd, aangepast voor gebruik in kwantumcomputers, waardoor ze voor het eerst nauwkeurig de exacte mate van niet-wederkerigheid tussen een qubit, de fundamentele eenheid van kwantumcomputers, en een magnetron kunnen afstemmen. -resonante holte.
Het vermogen om de mate van niet-wederkerigheid nauwkeurig af te stemmen is een belangrijk hulpmiddel bij de verwerking van kwantuminformatie. Daarbij heeft het team, inclusief medewerkers van de Universiteit van Chicago, een algemene en breed toepasbare theorie afgeleid die oudere opvattingen over niet-wederkerigheid vereenvoudigt en uitbreidt, zodat toekomstig werk aan soortgelijke onderwerpen kan profiteren van het model van het team, zelfs als er verschillende methoden worden gebruikt. componenten en platforms.
Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances .
Kwantumcomputing verschilt fundamenteel van het bitgebaseerde computergebruik dat we allemaal dagelijks doen. Een bit is een stukje informatie dat doorgaans wordt uitgedrukt als een 0 of een 1. Bits vormen de basis voor alle software, websites en e-mails waaruit onze elektronische wereld bestaat.
Daarentegen vertrouwt kwantumcomputers op 'kwantumbits' of 'qubits', die op gewone bits lijken, behalve dat ze worden weergegeven door de 'kwantumsuperpositie' van twee toestanden van een kwantumobject. Materie in een kwantumtoestand gedraagt zich heel anders, wat betekent dat qubits niet worden gedegradeerd tot slechts 0-en of 1-en; ze kunnen beide tegelijkertijd zijn op een manier die klinkt als magie, maar die goed wordt gedefinieerd door de kwantumwetten. mechanica. Deze eigenschap van kwantumsuperpositie leidt tot de grotere vermogensmogelijkheden van kwantumcomputers.
Bovendien kan een eigenschap die 'niet-wederkerigheid' wordt genoemd, extra mogelijkheden creëren voor kwantumcomputing om het potentieel van de kwantumwereld te benutten.
"Stel je een gesprek voor tussen twee mensen", zegt Sean van Geldern, afgestudeerd student natuurkunde aan UMass Amherst en een van de auteurs van het artikel. "Er is sprake van totale wederkerigheid als elk van de mensen in dat gesprek evenveel informatie deelt. Van niet-wederkerigheid is sprake als de ene persoon iets minder informatie deelt dan de ander."
“Dit is wenselijk bij kwantumcomputing”, zegt senior auteur Chen Wang, assistent-professor natuurkunde aan UMass Amherst, “omdat er veel computerscenario’s zijn waarin je voldoende toegang tot gegevens wilt geven zonder iemand de macht te geven die te veranderen of te degraderen. gegevens."
Om niet-wederkerigheid onder controle te houden, voerden hoofdauteur Ying-Ying Wang, afgestudeerd student natuurkunde aan UMass Amherst, en haar co-auteurs een reeks simulaties uit om het ontwerp en de eigenschappen te bepalen die hun circulator zou moeten hebben om de niet-wederkerigheid ervan te kunnen variëren. Vervolgens bouwden ze hun circulatiepomp en voerden een groot aantal experimenten uit, niet alleen om hun concept te bewijzen, maar ook om precies te begrijpen hoe hun apparaat niet-wederkerigheid mogelijk maakte.
Terwijl ze dit deden, konden ze hun model, dat zestien parameters bevatte die gedetailleerd beschrijven hoe hun specifieke apparaat moest worden gebouwd, herzien naar een eenvoudiger en algemener model met slechts zes parameters. Dit herziene, algemenere model is veel nuttiger dan het oorspronkelijke, meer specifieke model, omdat het breed toepasbaar is op een reeks toekomstige onderzoeksinspanningen.
Het ‘geïntegreerde niet-wederkerige apparaat’ dat het team heeft gebouwd, ziet eruit als een ‘Y’. In het midden van de "Y" bevindt zich de circulatiepomp, die als een verkeersrotonde fungeert voor de microgolfsignalen die de kwantuminteracties bemiddelen. Eén van de poten is de holtepoort, een resonante supergeleidende holte waarin een elektromagnetisch veld aanwezig is. Een ander been van de "Y" houdt de qubit vast, gedrukt op een saffierchip. Het laatste deel is de uitgangspoort.
‘Als we het supergeleidende elektromagnetische veld variëren door het te bombarderen met fotonen,’ zegt Ying-Ying Wang, ‘zien we dat die qubit op een voorspelbare en controleerbare manier reageert, wat betekent dat we precies kunnen aanpassen hoeveel wederkerigheid we willen. En de Het vereenvoudigde model dat we hebben geproduceerd, beschrijft ons systeem op zo'n manier dat de externe parameters kunnen worden berekend om een exacte mate van niet-wederkerigheid af te stemmen."
"Dit is de eerste demonstratie van het inbedden van niet-ontvankelijkheid in een kwantumcomputer", zegt Chen Wang, "en het opent de deur naar het ontwikkelen van meer geavanceerde kwantumcomputerhardware."