La nuova svolta di Qubit potrebbe rivoluzionare l’informatica quantistica

Nuova piattaforma qubit. Gli elettroni del filamento di luce riscaldato (sopra) atterrano su un neon solido (blocco rosso), dove un elettrone (rappresentato come una funzione d’onda in blu) è intrappolato e controllato da un circuito quantistico superconduttore (modello sotto). Prestito da Dafey Jin / Argon National Laboratory

La nuova piattaforma qubit potrebbe trasformare la scienza e la tecnologia dell’informazione quantistica.

Probabilmente stai guardando questo articolo su un dispositivo digitale la cui unità di informazione di base è bit, 0 o 1. Gli scienziati di tutto il mondo stanno lottando per sviluppare un nuovo tipo di computer basato sull’uso di bit quantistici o qubit.

In un articolo pubblicato sulla rivista il 4 maggio 2022 Natura:Il team guidato dall’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha annunciato la creazione di una nuova piattaforma qubit, che è formata congelando gas neon in materiale solido a temperature molto basse, spruzzando elettroni dal filamento della lampada sul solido e chiudendo un elettrone lì. Questo sistema ha il potenziale per diventare l’elemento costitutivo perfetto per i futuri computer quantistici.

“Sembra che un qubit ideale possa apparire all’orizzonte. “A causa della relativa semplicità della piattaforma elettrone-neon, dovrebbe essere adatta per la produzione a basso costo”. – Daphne Jean, scienziata Argon presso il Nanoscale Materials Center

I requisiti di qualità dei qubit sono estremamente esigenti per creare un utile computer quantistico. Oppure ci sono diversi tipi di qubit oggi, nessuno dei quali è ottimale.

Cosa renderà un qubit ideale? Secondo Dafey Jin, il capo investigatore di Argonaut sul progetto, ha almeno tre proprietà in sterline.

Può rimanere nella posizione 0 և 1 per molto tempo alla volta (ricordate il gatto). Gli scienziati la chiamano una lunga “corrispondenza”. Idealmente, questa volta sarebbe di circa un secondo, un passo temporale che possiamo percepire sull’orologio nella nostra vita quotidiana.

In secondo luogo, il qubit può passare da uno stato all’altro in breve tempo. Idealmente, quel tempo sarebbe un miliardesimo di secondo (nanosecondo), che è il passo temporale di un classico orologio per computer.

Terzo, qubit può essere facilmente collegato a molti altri qubit in modo che possano funzionare in parallelo. Gli scienziati chiamano questa connessione entanglement.

I qubit noti non sono l’ideale al momento, ma aziende come IBM, Intel, Google, Honeywell – molte startup – hanno scelto il loro preferito. Stanno perseguendo in modo aggressivo il miglioramento tecnologico e la commercializzazione.

“Il nostro ambizioso obiettivo non è competere con queste aziende, ma scoprire e costruire un sistema di qubit completamente nuovo che possa portare a una piattaforma ideale”, ha affermato Jean.

Sebbene esistano molti tipi di qubit, il team ha scelto il più semplice: un elettrone. Alleggerire il semplice filamento che puoi trovare in un giocattolo per bambini può facilmente rilasciare una scorta infinita di elettroni.

Una delle sfide per qualsiasi qubit, incluso l’elettrone, è che è molto sensibile ai disturbi che lo circondano. Quindi il team ha deciso di intrappolare l’elettrone su una superficie al neon solida super solida nel vuoto.

Il neon è uno dei pochi elementi inerti che non reagisce con altri elementi. “A causa di questa inerzia, il neon solido può fungere da vuoto solido più pulito possibile per proteggere l’host da qualsiasi qubit”, ha affermato Jean.

Il componente principale della piattaforma qubit del team è un superconduttore realizzato sulla scala di un chip risonatore a microonde. (Un forno a microonde domestico molto più grande è anche un risonatore a microonde). zero Assoluto con una minima perdita di energia o informazioni.

“Il risonatore a microonde è un modo molto potente per leggere lo stato del qubit”, ha affermato Katherine Murch, professoressa di fisica alla Washington University di St. Louis e coautrice dell’articolo. “Si concentra sull’interazione del segnale qubit և microonde. Questo ci consente di effettuare misurazioni dicendo quanto bene funziona il qubit. ”

“Con questa piattaforma, abbiamo ottenuto per la prima volta un forte accoppiamento di un elettrone nel vuoto և un risonatore fotonico a microonde”, afferma Xiangjin Zhou, il primo autore di un corso post-laurea in Argon. la carta. “Ciò consente di utilizzare i fotoni a microonde per controllare la profondità di ciascun elettrone, collegandone molti a un processore quantistico”, ha aggiunto Zhou.

“I nostri qubit sono in realtà buoni come quelli che gli esseri umani hanno sviluppato per 20 anni”. – David Schuster, Professore di Fisica Università di Chicago ավագ Coautore senior del giornale

Il team ha testato la piattaforma su uno strumento scientifico chiamato frigorifero a diluizione che può raggiungere temperature fino a 10 millisecondi sopra lo zero. Questo strumento è una delle tante funzionalità quantistiche dell’Argonne Center for Nanoscale Materials, una struttura per gli utenti del DOE of Science Office.

Il team ha eseguito operazioni in tempo reale sul qubit di elettroni, descrivendone le proprietà quantistiche. Questi test hanno dimostrato che il neon solido fornisce un ambiente solido affinché un elettrone con un rumore elettrico molto basso possa interferire con esso. Ancora più importante, il qubit ha raggiunto tempi quantici coerenti che competono con i qubit alla moda.

“I nostri qubit sono in realtà buoni come quelli che gli esseri umani hanno sviluppato per 20 anni”, ha affermato David Schuster, coautore senior dell’articolo presso l’Università di Chicago. “Questa è solo la prima serie dei nostri tentativi. La nostra piattaforma qubit non è affatto ottimizzata. Continueremo a migliorare i tempi dell’unità. E poiché la velocità di questa piattaforma di qubit è estremamente veloce, in pochi nanosecondi, la promessa di aumentarla a qubit molto aggrovigliati è significativa.

C’è un vantaggio in questa straordinaria piattaforma qubit. “A causa della relativa semplicità della piattaforma elettrone-neon, dovrebbe essere conveniente produrre a basso costo”, ha affermato Jean. “Sembra che un qubit ideale potrebbe essere all’orizzonte.”

Riferimento. “Elettroni solidi su neon solido come piattaforma qubit allo stato solido” di Xinjiang Zhou, Gervin Kulstra, Sufen Zhang, Ge Young, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Cather W. Murchi, di David. I. Schuster e Dafei Jin, 4 maggio 2022. Natura:.
DOI: 10.1038 / s41586-022-04539-x:

Il team ha pubblicato i suoi risultati Natura: Un articolo intitolato “Elettroni solidi su neon solido come piattaforma a cubito a stato solido”. Oltre a Jin և Zhu, gli investitori di Argonne includono Sufen Zhang, Xu Han, Xinhao Lin և Ralu Divan. Oltre a David Schuster, gli investitori dell’Università di Chicago includono Brennan Dizdar. Oltre a Catherine Murch dell’Università di Washington a St. Louis, altri ricercatori includono Wei Guo Università statale della FloridaLawrence Berkeley National Lab di Gervin Kulstran e Massachusetts Institute of Technology di Ge Young.

I finanziamenti per la ricerca sull’argon provengono principalmente dall’Ufficio delle scienze energetiche di base del DOE, dall’Argonne’s Laboratory Directed Research and Development և e dalla Julian Schwinger Foundation for Physics Research.

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