Ny kvantdatorarkitektur åstadkommer elektronladdningsqubit med 0,1 millisekunds koherenstid

Credit: Dafei Jin / Argonne National Laboratory / University of Notre Dame
Credit: Dafei Jin / Argonne National Laboratory / University of Notre Dame

Koherens är en grundpelare för effektiv kommunikation, oavsett om det handlar om att skriva, tala eller bearbeta information. Denna princip gäller även för kvantbitar, eller qubits, som är byggstenarna i kvantdatorer. En kvantdator skulle en dag kunna hantera tidigare oöverstigliga utmaningar inom klimatprognoser, materialdesign, läkemedelsupptäckt och mycket mer.

Ett team som leds av det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har uppnått en viktig milstolpe mot framtida kvantdatorer. De har förlängt koherenstiden för sin nya typ av qubit till imponerande 0,1 millisekunder – nästan tusen gånger bättre än det tidigare rekordet.

Forskningen publicerades i Nature Physics.

”I stället för 10 till 100 operationer över koherenstiden för konventionella elektronladdningsqubits, kan våra qubits utföra 10 000 med mycket hög precision och hastighet”, säger Dafei Jin, professor vid University of Notre Dame med en gemensam tjänst vid Argonne’s Center for Nanoscale Materials.

I vardagslivet är 0,1 millisekunder lika flyktigt som en blinkning med ögat. Men i kvantvärlden är det tillräckligt lång tid för att en qubit ska kunna utföra många tusen operationer.

Till skillnad från klassiska bitar kan kvantbitar till synes existera i båda tillstånden, 0 och 1. För varje fungerande kvantbit är det absolut nödvändigt att upprätthålla detta blandade tillstånd under en tillräckligt lång koherenstid. Utmaningen är att skydda kvantbiten mot den ständiga spärreld av störande brus från den omgivande miljön.

Teamets qubits kodar kvantinformation i elektronens rörelsetillstånd (laddning). På grund av detta kallas de för laddningsqubitar.

”Bland olika befintliga qubits är elektronladdningsqubits särskilt attraktiva på grund av deras enkla tillverkning och drift, samt kompatibilitet med befintlig infrastruktur för klassiska datorer”, säger Jin, huvudforskare för projektet. ”Denna enkelhet bör leda till låga kostnader för att bygga och driva storskaliga kvantdatorer.”

Jin har tidigare arbetat som forskare vid Center for Nanoscale Materials (CNM), en användaranläggning vid DOE Office of Science i Argonne. Under sin tid där ledde han upptäckten av deras nya typ av kvantbit, som rapporterades förra året.

Teamets kvbit är en enda elektron som fångats på en ultraran solid-neon-yta i vakuum. Neon är viktigt eftersom det motstår störningar från den omgivande miljön. Neon är ett av en handfull grundämnen som inte reagerar med andra grundämnen. Neonplattformen håller elektronqubitarna skyddade och garanterar en lång koherenstid.

”Tack vare det lilla fotavtrycket från enskilda elektroner på fast neon är qubits tillverkade med dem mer kompakta och lovande för uppskalning till flera länkade qubits”, säger Xu Han, biträdande forskare vid CNM med en gemensam utnämning vid Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago. ”Dessa egenskaper, tillsammans med koherenstiden, gör vår elektronqubit exceptionellt övertygande.”

Efter fortsatt experimentell optimering har teamet inte bara förbättrat kvaliteten på neonytan utan också avsevärt minskat störande signaler. Som rapporterats i Nature Physics gav deras arbete resultat i form av en koherenstid på 0,1 millisekunder. Det är ungefär en tusenfaldig ökning från de ursprungliga 0,1 mikrosekunderna.

”Den långa livslängden för vår elektronqubit gör att vi kan kontrollera och läsa ut de enskilda qubit-tillstånden med mycket hög tillförlitlighet”, säger Xinhao Li, postdoktor vid Argonne och den andra första författaren till artikeln. Denna tid ligger långt över kraven för kvantdatorer.

En annan viktig egenskap hos en kvantbit är dess skalbarhet, dvs. att den kan kopplas samman med många andra kvantbitar. Teamet uppnådde en viktig milstolpe genom att visa att kvantbitar med två elektroner kan kopplas till samma supraledande krets så att information kan överföras mellan dem via kretsen. Detta markerar ett avgörande steg mot sammanflätning av två qubitar, en kritisk aspekt av kvantberäkning.

Teamet har ännu inte fullt ut optimerat sin elektronqubit och kommer att fortsätta arbeta för att förlänga koherenstiden ytterligare samt för att sammanfläta två eller flera qubits.

Förutom Jin, Han och Li medverkar även postdoktorerna Xianjing Zhou och Qianfan Chen från Argonne. Andra bidragsgivare är David I. Schuster, tidigare professor i fysik vid University of Chicago och numera verksam vid Stanford University, och Xufeng Zhang, tidigare forskare vid CNM och numera professor vid Northeastern University. Även Gerwin Koolstra, Ge Yang, Brennan Dizdar, Yizhong Huang och Christopher S. Wang listas som författare.

De samarbetande institutionerna inkluderar Lawrence Berkeley National Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Northeastern University, Stanford University, University of Chicago och University of Notre Dame.

Ytterligare information: Xianjing Zhou et al, Electron charge qubit with 0.1 millisecond coherence time, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02247-5

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.