Nieuwe bevindingen ontkrachten eerdere wijsheid dat solid-state qubits superverdund moeten worden in een ultraschoon materiaal om een ​​lange levensduur te bereiken. Stop in plaats daarvan veel zeldzame aardionen in een kristal, en sommige zullen paren vormen die fungeren als zeer coherente qubits, zo blijkt uit een artikel in Nature Physics .

Strakke lijnen en minimalisme, of vintage shabby chic? Het blijkt dat dezelfde trends die de wereld van het interieurontwerp bezighouden, essentieel zijn als het gaat om het ontwerpen van de bouwstenen van kwantumcomputers.

Hoe je qubits kunt maken die hun kwantuminformatie lang genoeg vasthouden om bruikbaar te zijn, is een van de grootste obstakels voor praktische kwantumcomputing. Het wordt algemeen aanvaard dat de sleutel tot qubits met een lange levensduur, of 'coherenties', zuiverheid is. Qubits verliezen kwantuminformatie via een proces dat bekend staat als decoherentie wanneer ze in wisselwerking treden met hun omgeving.

Dus, zo luidt de conventionele wijsheid, houd ze uit de buurt van elkaar en van andere verontrustende invloeden, dan zullen ze hopelijk nog wat langer overleven.

In de praktijk is een dergelijke 'minimalistische' benadering van qubit-ontwerp problematisch. Het vinden van geschikte ultrazuivere materialen is niet eenvoudig. Bovendien maakt het extreem verdunnen van qubits het opschalen van de resulterende technologie een uitdaging. Verrassende resultaten van onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI, ETH Zürich en EPFL laten nu zien hoe qubits met een lange levensduur kunnen bestaan ​​in een rommelige omgeving.

“Hoe we op de lange termijn een chip kunnen maken, is een vraag die universeel wordt besproken voor alle soorten qubits. In plaats van steeds meer te verdunnen, hebben we een nieuw pad gedemonstreerd waarmee we qubits dichter bij elkaar kunnen persen”, zegt Gabriel Aeppli, hoofd van de Photon Science Division bij PSI en professor aan de ETH Zürich en EPFL, die het onderzoek leidde.

De edelstenen uit de rommel plukken

De onderzoekers creëerden solid-state qubits van het zeldzame aardmetaal terbium, gedoteerd in kristallen van yttriumlithiumfluoride. Ze toonden aan dat in een kristal boordevol zeldzame aardionen qubit-edelstenen zaten met veel langere coherenties dan normaal gesproken zou worden verwacht in zo'n dicht systeem.

“Voor een gegeven dichtheid van qubits laten we zien dat het een veel effectievere strategie is om de zeldzame-aarde-ionen erin te gooien en de edelstenen uit de rommel te halen, dan te proberen de individuele ionen van elkaar te scheiden door verdunning”, legt Markus Müller uit. , wiens theoretische verklaringen essentieel waren voor het begrijpen van verbijsterende observaties.

Net als klassieke bits die 0 of 1 gebruiken om informatie op te slaan en te verwerken, gebruiken qubits ook systemen die in twee toestanden kunnen bestaan, zij het met de mogelijkheid van superposities. Wanneer qubits worden gemaakt van zeldzame aardionen, wordt doorgaans een eigenschap van de individuele ionen, zoals de kernspin, die naar boven of naar beneden kan wijzen, gebruikt als dit tweestatensysteem.

Koppelen biedt bescherming

Het team zou succes kunnen hebben met een radicaal andere aanpak, omdat hun qubits niet uit afzonderlijke ionen bestaan, maar uit sterk op elkaar inwerkende ionenparen. In plaats van de nucleaire spin van afzonderlijke ionen te gebruiken, vormen de paren qubits op basis van superposities van verschillende elektronenschiltoestanden.

Binnen de kristalmatrix vormen slechts enkele terbiumionen paren. "Als je veel terbium in het kristal gooit, ontstaan ​​er toevallig ionenparen – onze qubits. Deze zijn relatief zeldzaam, dus de qubits zelf zijn behoorlijk verdund", legt Adrian Beckert, hoofdauteur van het onderzoek, uit. P>

Waarom worden deze qubits dan niet gestoord door hun rommelige omgeving? Het blijkt dat deze edelstenen door hun fysieke eigenschappen beschermd zijn tegen de rommel. Omdat ze een andere karakteristieke energie hebben waarmee ze werken, kunnen ze geen energie uitwisselen met de afzonderlijke terbiumionen; in wezen zijn ze er blind voor.

"Als je een excitatie maakt op een enkel terbium, kan deze gemakkelijk overspringen naar een ander terbium, waardoor decoherentie ontstaat", zegt Müller. "Als de excitatie echter op een terbiumpaar plaatsvindt, is de toestand ervan verstrengeld, dus leeft het in een andere energie en kan het niet overstappen naar de afzonderlijke terbiums. Ik zou een ander paar moeten vinden, maar dat kan niet omdat de volgende één is ver weg."

Licht schijnen op qubits

De onderzoekers stuitten op het fenomeen qubit-paren toen ze met terbium gedoteerd yttriumlithiumfluoride onderzochten met microgolfspectroscopie. Het team gebruikt ook licht om kwantumeffecten in materialen te manipuleren en te meten, en van hetzelfde soort qubits wordt verwacht dat ze werken op de hogere frequenties van optisch laserlicht. Dit is van belang omdat zeldzame aardmetalen optische overgangen bezitten, die gemakkelijk toegang bieden tot licht.

"Uiteindelijk is ons doel om ook licht van de X-ray Free Electron Laser SwissFEL of Swiss Light Source SLS te gebruiken om getuige te zijn van de verwerking van kwantuminformatie", zegt Aeppli. Deze aanpak zou kunnen worden gebruikt om volledige qubit-ensembles uit te lezen met röntgenlicht.

Intussen is terbium een ​​aantrekkelijke doteringsstof:het kan gemakkelijk worden geëxciteerd door frequenties in het microgolfbereik dat voor telecommunicatie wordt gebruikt. Tijdens spin-echotests (een beproefde techniek om coherentietijden te meten) merkte het team vreemde pieken op die correspondeerden met veel langere coherenties dan die op de afzonderlijke ionen.

"Er lag iets onverwachts op de loer", herinnert Beckert zich. Met verdere microgolfspectroscopie-experimenten en zorgvuldige theoretische analyse konden ze deze als paartoestanden ontleden.

'Met het juiste materiaal zou de samenhang nog langer kunnen zijn'

Terwijl de onderzoekers zich verdiepten in de aard van deze qubits, konden ze de verschillende manieren begrijpen waarop ze werden beschermd tegen hun omgeving en deze proberen te optimaliseren. Hoewel de excitaties van de terbiumparen goed beschermd zijn tegen de invloed van andere terbiumionen, kunnen de kernspins op andere atomen in het materiaal nog steeds interageren met de qubits en ervoor zorgen dat ze decohereren.

Om de qubits verder tegen hun omgeving te beschermen, legden de onderzoekers een magnetisch veld op het materiaal aan dat zo was afgestemd dat het effect van de kernspin van het terbium in paren precies teniet werd gedaan. Dit resulteerde in in wezen niet-magnetische qubit-toestanden, die slechts minimaal gevoelig waren voor ruis van de kernspins van omringende 'junk'-atomen.

Zodra dit beschermingsniveau werd meegenomen, hadden de qubit-paren een levensduur die tot honderd keer langer was dan afzonderlijke ionen in hetzelfde materiaal.

"Als we op zoek waren gegaan naar qubits op basis van terbiumparen, zouden we geen materiaal met zoveel kernspins hebben genomen", zegt Aeppli. “Wat dit laat zien is hoe krachtig deze aanpak kan zijn. Met het juiste materiaal zou de samenhang nog langer kunnen zijn.” Gewapend met de kennis van dit fenomeen gaan de onderzoekers nu de matrix optimaliseren.

Meer informatie: Opkomst van zeer coherente systemen met twee niveaus in een luidruchtig en dicht kwantumnetwerk, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02321-y

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door het Paul Scherrer Instituut