Veijo Hänninen

Parempia kubitteja kehitellen

Kvanttitietotekniikan parissa on viime aikoina tehty monenlaisia kehitelmiä erilaisten kubittien kehitystyössä.

Kvanttilaskennan kannalta kubitit, joilla on vähemmän koherenssihäviöitä tai kärsivät vähemmän ulkoisista häiriöistä, mahdollistavat paremmat toiminnat.

Aalto-yliopiston fyysikot yhdessä kansainvälisen yhteistyöryhmän kanssa ovat teoreettisesti ja kokeellisesti osoittaneet, että suprajohtavan kubitin koherenssihäviötä voidaan mitata suoraan lämpöhäviönä kubitin sisältävässä sähköisessä piirissä.

Suprajohtaviin piireihin perustuvia kubitteja on eri muodoissa, mutta yksi yhteinen asia niille on niiden riippuvuus Josephson-liitoksista, jotka antavat piirille epälineaarisuuden, joka tarvitaan kuittien tilojen muodostamiseen.

Simon Messelot CNRS Grenoblesta, ja hänen kollegansa ovat rakentaneet suprajohtavan piirin, jonka epälineaarinen vaste eroaa tavanomaisten Josephson-liitokseen perustuvien piirien vastaavasta.

Kyseessä on kvantti-interferenssiin tukeutuva rakenne ja sen hilaviritettävällä grafeeni-Josephson-liitoksella tutkijat ovat eristäneet tietyn ominaisuuden.

Idean perusteella kehitetyllä kubitilla olisi pidempi elinikä ja sitä olisi helpompi käsitellä kuin tavanomaista suprajohtavaa kubittia.

Kiraalisuutta ja topologiaa

Tutkijat ovat myös teoretisoineet, että epätavallinen kiraalinen suprajohde voi auttaa lisäämään kubittien kykyä ylläpitää tarkkuutta ajaessaan ohjelman vaiheita. Nykyään vain harvat yhdisteet ovat ehdokkaita kiraaliseen suprajohtavuuteen ja ne ovat erittäin harvinaisia.

UCLA:n Kalifornian NanoSystems Instituten tutkijoiden johtama ryhmä onkin suunnitellut uudenlaisen materiaalin, joka perustuu tavanomaiseen suprajohteeseen mutta he löysivät tavan mukauttaa materiaaliaan houkuttelemaan tavanomaista suprajohdetta toimimaan kiraalisena.

Kalifornian Riversiden yliopiston tutkijaryhmä on taasen kehittänyt uuden suprajohdemateriaalin, jota voitaisiin mahdollisesti käyttää kvanttilaskennassa topologisena suprajohteena. Topologiset suprajohteet voivat tasoittaa tietä peräti vikasietoiselle kvanttilaskennalle.

Riversiden tutkijat yhdistivät trigonaalisen telluurin pintatilaiseen suprajohteeseen, joka muodostui ohuen kultakalvon pinnalle. Trigonaalinen telluuri on kiraalista materiaalia ja ei-magneettinen.

He osoittivat, että heidän suprajohteesta voidaan valmistaa korkealaatuisia pienihäviöisiä mikroaaltoresonaattoreita, joiden laatukerroin on miljoona.

Tällaiset mikroaaltoresonaattorit ovat kvanttilaskennan kriittisiä komponentteja ja voivat johtaa pienihäviöisiin suprajohtaviin kubitteihin toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteesa.

Mekaanisia kytkentöjä kokeillen

Vaikka kiintoaineiset spin-kubitit näyttävät lupaavilta kvantti-informaation alustoina, niissä kubittien väliset vuorovaikutukset ulottuvat liian lyhyelle etäisyydelle useiden kubittien yhdistämiseksi, mikä muodostaa ongelman monimutkaisille laskelmille.

Frankie Fung ja kollegat Harvardin yliopistosta ovat kehittäneet mekaanisen menetelmän – jossa värähtelevä nanopalkki – mahdollistaa etäisempien spin-kubittien yhdistämisen.

Suosittu kiintoaineinen spin-kubitti on typpivakanssikeskus (NV). Se on houkutteleva kvantti-informaation sovelluksille, koska siinä on sekä valoherkkä elektronin spin-tila (joka tarjoaa nupin kubitin ohjaamiseen) että pitkäikäinen ydinspinin tila (joka toimii muistina). Mutta suorat vuorovaikutukset NV-keskusten välillä rajoittuvat muutamaan nanometriin.

Pidentääkseen yhteysvälejä Fung ja kollegat ehdottavat mikromagneetilla varustetun nanopalkin käyttämistä välittäjänä etäisten NV-keskusten välillä. Ajatuksena on sitten sijoittaa linja NV-keskuksia pyyhkäisyanturimikroskoopin kärkeen ja siirtää kärki mikromagneetin päälle. Kun tietty NV-keskus tulee lähelle mikromagneettia, magneettikentän vuorovaikutuksen tulisi lomittaa nanopalkin värähtelytila kyseisen NV-keskuksen spin-tilaan. Tämä kvantti-informaatio jaetaan sitten linjan seuraavan NV-keskuksen kanssa.

Alustavassa kokeissa tutkijat siirsivät yhtä NV-keskusta nanopalkin magneetin suhteen. Mittaukset osoittivat, että NV-keskus tallensi informaatiota nanopalkin värähtelyistä. Mutta näistä mittauksista päätelty palkki-kubitti kytkentä on liian pieni kvantti-informaation sovelluksille. Tämän korjaamiseksi tutkijat aikovat muuttaa asetuksiaan, jotta he voivat pienentää NV-keskuksen ja nanopalkin välistä pystyetäisyyttä, minkä pitäisi tehdä kytkennästä vahvempi.

Spin-kubitit hyppivät trampoliinilla

QuTechin tutkijat kehittivät kuperkeikkailevia spin-kubitteja universaalia kvanttilogiikkaa varten. Tämä saavutus voi mahdollistaa suurten puolijohteisten kubittiryhmien tehokkaan ohjauksen.

Vuonna 1998 Loss ja DiVincenzo julkaisivat tärkeän työn "kvanttilaskenta kvanttipisteillä". Alkuperäisessä työssään spinien hyppimistä ehdotettiin kubit-logiikan perustaksi.

Nyt yli 20 vuoden jälkeen kokeet ovat saavuttaneet teorian. TU Delftin ja TNO:n yhteistyöorganisaatio QuTechin tutkijat ovat osoittaneet, että alkuperäiset "hyppelyportit" ovat todellakin mahdollisia huippuluokan suorituskyvyllä.

Kvanttipisteisiin perustuvia kubitteja tutkitaan maailmanlaajuisesti, koska niitä pidetään vahvana alustana kvanttitietokoneen rakentamiselle. Suosituin tapa on vangita yksi elektroni ja käyttää riittävän suurta magneettikenttää, jolloin elektronin spiniä voidaan käyttää kubittina jota voi ohjata mikroaaltosignaaleilla.

Tässä työssä tutkijat kuitenkin osoittavat, että mikroaaltosignaaleja ei tarvita. Sen sijaan kantataajuussignaalit ja pienet magneettikentät ovat riittäviä yleisen kubitin ohjauksen saavuttamiseen. Tämä on hyödyllistä, koska se voi merkittävästi yksinkertaistaa tulevaisuuden kvanttiprosessorien käyttöön tarvittavaa ohjauselektroniikkaa.

Francesco Borsoi lisää: "Otimme käyttöön ohjausrutiinit, jotka mahdollistavat hyppäyttää spinejä mihin tahansa kvanttipisteeseen 10 kvanttipisteen ryhmässä, mikä sitten mahdollistaa aiheen tutkimisen laajemmissa järjestelmissä".

Vaihtoehtoinen tapa manipuloida kvanttitiloja

ETH Zürichin tutkijat ovat osoittaneet, että yksittäisten elektronien spinien kvanttitiloja voidaan ohjata elektronivirroilla, joissa spinit ovat yhdensuuntaisia.

Pietro Gambardella ja hänen työtoverinsa ETH Zürichissä osoittavat nyt, että tällaisia spin-polarisoituja virtoja voidaan käyttää myös yksittäisten elektronien spinien kvanttitilojen ohjaamiseen. Heidän tuloksia voitaisiin tulevaisuudessa käyttää erilaisissa teknologioissa, esimerkiksi kubittien kvanttitilojen ohjauksessa.

"Tällainen spin-ohjaus kvanttitason spinpolarisoiduilla virroilla avaa useita mahdollisia sovelluksia", Kovarik sanoo. Toisin kuin sähkömagneettiset kentät, spin-polarisoidut virrat vaikuttavat hyvin paikallisesti ja niitä voidaan ohjata alle nanometrin tarkkuudella. Tällaisilla virroilla voitaisiin käsitellä kvanttilaitteiden elektroniikkapiirielementtejä erittäin tarkasti ja siten esimerkiksi ohjata magneettisten kubittien kvanttitiloja.

Mitä tapahtuu spinien ympärillä

Riippumatta fyysisestä toteutuksesta, kvanttilaitteet kuvataan tyypillisesti yksinkertaistetusti kokoelmaksi vuorovaikutuksessa olevia spinejä. Ne ovat kuitenkin vuorovaikutuksessa muiden ympäristössään olevien asioiden kanssa, kuten suprajohtavien piirien fotonien tai atomien tai ionien hilan fononien kanssa.

Amsterdamin yliopiston tutkijat esittelevät uudessa työssään tapaa kuvata spin-bosonijärjestelmiä ja käyttää tätä kvanttilaitteiden tehokkaaseen konfigurointiin halutun tilan saavuttamiseksi.

Toisin kuin spineillä, joilla on vain kaksi mahdollista energiatasoa, kunkin bosonin tasojen määrä on ääretön. Tästä johtuen on olemassa hyvin vähän laskennallisia työkaluja bosoneihin kytkettyjen spinien kuvaamiseen.

Uudessa työssään fyysikot kiertävät tätä rajoitusta kuvaamalla spineistä ja bosoneista koostuvia järjestelmiä, joissa käytetään niin kutsuttuja ei-Gaussisia tiloja. Jokainen ei-Gaussin tila on paljon yksinkertaisempien Gaussin tilojen yhdistelmä (superpositio).

Uutta lähestymistapaa voidaan hyödyntää kvanttitilojen tehokkaassa valmistelussa tavalla, joka ylittää muut perinteisesti käytetyt protokollat. "Nopea kvanttitilan valmistelu saattaa olla hyödyllistä monenlaisissa sovelluksissa, kuten kvanttisimulaatiossa tai jopa kvanttivirheen korjauksessa", tutkijat uskovat.

Vaikka nämä tulokset ovat erittäin rohkaisevia, ne ovat vasta ensimmäinen askel kohti kunnianhimoisempia tavoitteita. Toistaiseksi menetelmää on demonstroitu vain yksittäisellä spinillä

Pyörivät Rydberg-atomit

Kvanttilaskennan ja kvanttisimulaatioteknologian maailmassa neutraalien atomien käytössä on perustavanlaatuinen haaste: Kvanttilaskennan rakenneosia muodostavien Rydberg-atomien elinikä on rajallinen.

Rydberg-atomi on virittynyt atomi, jossa on yksi tai useampi elektroni, joilla on erittäin korkea pääkvanttiluku eli elektroni on tavallista kauempana ytimestä. Rydberg-atomeilla on myös epätavanomainen ja siten mielenkiintoinen vaste sähkö- ja magneettikentille.

Mutta rajalliseen elinikään on olemassa lupaava ratkaisu: ympyrämäinen Rydberg-tila. Ensimmäistä kertaa tutkimusryhmä on onnistunut luomaan ja vangitsemaan maa-alkalimetallin pyörteisiä Rydberg-tilaisia atomeja.

"Tämä on jännittävää, koska ne ovat erityisen vakaita ja voivat pidentää kvanttibitin käyttöikää valtavasti. Siksi niillä on suuri potentiaali tehokkaampien kvanttisimulaattoreiden kehittämiseen", sanoo projektista vastaava tohtori Florian Meinert.

Pyöreä Rydberg-atomi on tietyntyyppinen Rydberg-atomi, jossa viritetty elektroni seuraa ympyrämäistä polkua atomiytimen ympäri. Muihin Rydberg-tiloihin verrattuna näillä atomeilla on parempi vakaus ja pidempi käyttöikä. Tämä tekee niistä houkuttelevia ehdokkaita käytettäväksi kubitteina.

Tutkimusryhmä osoitti strontium-isotoopin erittäin korkean energian ympyriäisiä tiloja, joiden elinikä on hämmästyttävän pitkä, jopa 2,55 millisekuntia huoneenlämpötilassa. He käyttivät onkalon erityisominaisuuksia, jotka tukahduttavat häiritsevän mustan kappaleen taustasäteilyä, mikä ajaisi herkän Rydberg-elektronin muille energeettisesti viereisille Rydberg-tasoille. Ilman tätä suojausta pyöreät tilat eivät pystyisi selviytymään pitkään.

Toinen tärkeä näkökohta tutkimuksessa oli ympyrätiloihin koodatun mikroaaltokvanttibitin tarkka ohjaus ja manipulointi. Tämä niin sanottu koherentti ohjaus antoi tutkijoille mahdollisuuden käyttää mikroaaltopulsseja kubitin vaihtamiseen eri tilojen välillä kvantti-informaatiotaan menettämättä.

He pystyivät määrittämään tarkasti kvanttibitin käyttöiän ja saamaan tärkeitä tietoja sen stabiilisuudesta huoneenlämpötilassa. Tehokas koherentti ohjaus on ratkaisevan tärkeää kvanttioperaatioiden suorittamisessa ja tekee niistä tarkkoja ja luotettavia.

Pyöreät Rydberg-atomit tarjoavat lukuisia mahdollisuuksia kvanttioperaatioiden ja erityisesti kvanttisimulaatioiden suorittamiseen.

Koska ne voidaan erityisesti vangita ja käsitellä tarkasti optisissa pinseteissä tai muun tyyppisissä ansoissa, ne tarjoavat mahdollisuuksia skaalautuvalle arkkitehtuurille, josta voisi olla hyötyä tulevaisuudessa rakennettaessa suuria neutraaleihin atomeihin perustuvia kvanttibittijärjestelmiä.

Syyskuu 2024