Yeni kübit platformu, kuantum bilgi bilimini ve teknolojisini dönüştürebilir.

Şüphesiz bu makaleyi, temel bilgi birimi 0 veya 1 biti olan dijital bir cihazda görüntülüyorsunuzdur. Dünya çapındaki bilim adamları, kuantum bitlerinin veya kübitlerin kullanımına dayanan yeni bir bilgisayar türü geliştirmek için yarışıyorlar.

Yakın tarihli bir Nature makalesinde, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı liderliğindeki bir ekip, neon gazının çok düşük sıcaklıklarda bir katıya dondurulması, elektronların bir ampulün filamentinden katıya püskürtülmesi ve orada tek bir elektronun hapsedilmesiyle oluşturulan yeni bir kübit platformunun oluşturulduğunu açıkladı. Bu sistem, gelecekteki kuantum bilgisayarlar için ideal yapı taşları haline getirilmek için büyük umut vaat ediyor.

Kullanışlı bir kuantum bilgisayarı gerçekleştirmek için, kübitlerin kalite gereksinimleri son derece zordur. Günümüzde kubitlerin çeşitli biçimleri olsa da, hiçbiri ideal değildir.

İdeal bir kübit ne yapar? Bir Argonne bilim adamı ve projenin baş araştırmacısı olan Dafei Jin’e göre en az üç sterlin niteliği var.

Uzun süre aynı anda 0 ve 1 durumunda kalabilir (kediyi hatırlayın!). Bilim adamları buna uzun “tutarlılık” diyorlar. İdeal olarak, bu zaman bir saniye civarında olacaktır, günlük yaşamımızda bir ev saatinde algılayabileceğimiz bir zaman adımı.

İkincisi, kübit kısa sürede bir durumdan diğerine değiştirilebilir. İdeal olarak, bu zaman klasik bir bilgisayar saatinin zaman adımı olan saniyenin (nanosaniye) milyarda biri civarında olacaktır.

Üçüncüsü, kübit diğer birçok kübitle kolayca bağlanabilir, böylece birbirleriyle paralel olarak çalışabilirler. Bilim adamları bu bağlantıyı dolaşıklık olarak adlandırırlar.

Şu anda iyi bilinen kübitler ideal olmasa da, IBM, Intel, Google, Honeywell ve birçok girişim gibi şirketler favorilerini seçti. Agresif bir şekilde teknolojik iyileştirme ve ticarileştirme peşinde koşuyorlar.

Jin, “İddialı hedefimiz bu şirketlerle rekabet etmek değil, ideal bir platforma yol açabilecek temelde yeni bir kübit sistemi keşfetmek ve inşa etmektir” dedi.

Kubit tiplerinin birçok seçeneği olsa da, ekip en basit olanı seçti – tek bir elektron. Bir çocuğun oyuncağında bulabileceğiniz basit bir ışık filamentini ısıtmak, sınırsız bir elektron kaynağını kolayca dışarı atabilir.

Elektron da dahil olmak üzere herhangi bir kübit için zorluklardan biri, çevresinden gelen rahatsızlıklara karşı çok hassas olmasıdır. Böylece, ekip bir elektronu vakumda ultra saf katı bir neon yüzeyde yakalamayı seçti.

Neon, diğer elementlerle reaksiyona girmeyen bir avuç inert elementten biridir. Jin, “Bu hareketsizlik nedeniyle, katı neon, herhangi bir kubiti bozulmaktan korumak ve korumak için bir vakumda mümkün olan en temiz katı olarak hizmet edebilir” dedi.

Ekibin kübit platformundaki önemli bir bileşen, bir süper iletkenden yapılmış çip ölçekli bir mikrodalga rezonatörüdür. (Çok daha büyük ev mikrodalga fırını aynı zamanda bir mikrodalga rezonatördür.) Süper iletkenler – elektrik direnci olmayan metaller – elektronların ve fotonların minimum enerji veya bilgi kaybıyla mutlak sıfıra yakın bir hızda birlikte etkileşime girmesine izin verir.

“Mikrodalga rezonatör, kübitin durumunu okumak için çok önemli bir yol sağlıyor” diyor St. Louis’deki Washington Üniversitesi’nde fizik profesörü ve makalenin kıdemli bir ortak yazarı olan Kater Murch. “Kubit ve mikrodalga sinyali arasındaki etkileşimi yoğunlaştırıyor. Bu, kübitin ne kadar iyi çalıştığını gösteren ölçümler yapmamızı sağlıyor.”

“Bu platformla, ilk kez, vakuma yakın bir ortamda tek bir elektron ile rezonatördeki tek bir mikrodalga fotonu arasında güçlü bir bağlantı sağladık” diyor Argonne’da doktora sonrası atanan Xianjing Zhou ve makalenin ilk yazarı. ?” Bu, her elektron kübitini kontrol etmek ve birçoğunu bir kuantum işlemcisine bağlamak için mikrodalga fotonları kullanma olasılığını ortaya koyuyor “diye ekledi Zhou.

Ekip, platformu, mutlak sıfırın sadece 10 miliderece üzerinde düşük sıcaklıklara ulaşabilen seyreltme buzdolabı adı verilen bilimsel bir cihazda test etti. Bu araç, bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Argonne’un Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi’ndeki birçok kuantum yeteneğinden biridir.

Ekip, bir elektron kübitine gerçek zamanlı işlemler gerçekleştirdi ve kuantum özelliklerini karakterize etti. Bu testler, katı neonun elektronun elektronu rahatsız etmesi için çok düşük elektrik gürültüsü ile sağlam bir ortam sağladığını göstermiştir. En önemlisi, kübit, kuantum durumunda, en son teknoloji kubitlerle rekabet eden tutarlılık zamanlarına ulaştı.

“Kubitlerimiz aslında insanların 20 yıldır geliştirdikleri kadar iyi” diyor Chicago Üniversitesi’nde fizik profesörü ve makalenin kıdemli bir ortak yazarı olan David Schuster. “Bu sadece ilk deney serimiz. Kubit platformumuz optimize edilmeye yakın bir yerde değildir. Tutarlılık sürelerini iyileştirmeye devam edeceğiz. Ve bu kübit platformunun çalışma hızı son derece hızlı olduğu için, sadece birkaç nanosaniye, onu birçok dolaşık kübite kadar ölçeklendirme vaadi önemlidir. ”

Bu olağanüstü kübit platformunun bir avantajı daha var. Jin, “Elektron üzerindeki neon platformunun göreceli sadeliği sayesinde, düşük maliyetle kolay üretime kendini ödünç vermelidir” dedi. “İdeal bir kübit ufukta olabilir gibi görünüyor.”

Ekip, bulgularını “Katı hal kübit platformu olarak katı neon üzerindeki tek elektronlar” başlıklı bir Nature makalesinde yayınladı. Jin ve Zhou’ya ek olarak, Argonne katılımcıları arasında Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li ve Ralu Divan bulunmaktadır. David Schuster’a ek olarak, Chicago Üniversitesi’ne katkıda bulunanlar arasında Brennan Dizdar da bulunmaktadır. St. Louis’deki Washington Üniversitesi’nden Kater Murch’a ek olarak, diğer araştırmacılar arasında Florida Eyalet Üniversitesi’nden Wei Guo, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan Gerwin Koolstra ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Ge Yang bulunmaktadır.

Argonne araştırması için finansman öncelikle DOE Temel Enerji Bilimleri Ofisi, Argonne’un Laboratuvara Yönelik Araştırma ve Geliştirme programı ve Julian Schwinger Fizik Araştırmaları Vakfı’ndan geldi.