Hibátlan kvantumszámítógép még nincs, de a hiba nem feltétlenül jelent hátrányt
2020 / 05 / 19 / Justin Viktor
Hibátlan kvantumszámítógép még nincs, de a hiba nem feltétlenül jelent hátrányt
A hibamentes kvantumberendezés épp olyan ritka mint a gyémánt, de azért ez is létezik, és a két dolog között nem ez az egyetlen kapcsolat. Egy viszonylag új kutatási terület nemhogy nem kerüli a szilárdtest anyaghibákat, de egyenesen előnyt kovácsol a létezésükből. Az emberi találékonyság határtalansága, egy mélyre merülős kvantumtechnológia-cikkben.

A hiba az új hibátlan

Az új megoldás összegyűjti azokat a hibákat, amelyek általában zavarokat okoznak a kvantumszámítástechnika működésében, és ezeket melőzés vagy eliminálás helyett inkább kvantumműveletek végrehajtására használja fel.

A nitrogén-üresedési központ (NV) egy egyedi tulajdonságokkal bíró ponthiba gyémántokban. Olyan elektronokat tart csapdában, amelyek fény és mikrohullámok segítségével vezérelhetőek. Ennek eredményeként a hiba fotonokat bocsát ki, amelyek képesek kvantuminformációt hordozni.

A gyémánt nitrogén-üresedési központjai (NV) kiváló jelöltek arra, hogy összefonódott állapotokat teremtsenek szilárd állapotú környezetben, akár szobahőmérsékleten is.


A kvantumkészülékek qubiteknek nevezett kvantumbitekkel hajtják végre műveleteiket, amelyek képesek reprezentálni a klasszikus bináris bitnek megfelelő két állapotot, a 0-t vagy az 1-et, vagy mindkét állapot „kvantum szuperpozícióját” egyszerre. (Kép: Christine Daniloff, MIT)

Szilárd környezetük miatt az NV központokat mindig sok másik ismeretlen hiba veszi körül, amelyek eltérő spin tulajdonságokkal rendelkeznek, úgynevezett „spinhibákkal”. A NV-központ-qubit és a spinhiba közötti kölcsönhatás a qubit kvantumállapotának elvesztéséhez vezet, ezért működési hibát okoz.

A hagyományos megoldások megpróbálják azonosítani ezeket a zavaró hibákat, hogy megóvják a tőlük a qubitet. Az MIT tudósai nemrégiben azonban találtak egy olyan módszert, amely egy NV központot használ a környezet tesztelésére és számos közeli spinhiba létének feltárására. Ez a módszer segíthet a tudósoknak a hibák helyének meghatározásában, hogy ellenőrizés alá vonhassák azokat, a koherens kvantumállapot elérése érdekében.

Ellenőrzés alá vonás

A kutatás során a tudósok azonosítottak, és ellenőrzés alá vettek két elektron-nukleáris spin hibát egy NV központ közelében. Mikrohullámú kontroll impulzusokat küldtek a kívánt frekvencián az NV központ vezérléséhez, és miközben ezt tették, egy második pulzáló mikrohullámú impulzust is használtak, amely a környezetet pásztázta más spinhibák feltárása céljából. 

Ezután megfigyelték az spinhibák rezonancia spektrumát, amely kölcsönhatásba lépett az NV-centrummal. A spektrum több ponton lesüllyedt, amikor a felderítő impulzus kölcsönhatásba lépett a közeli elektron-nukleáris spinekkel, feltárva ezzel jelenlétüket. A tudósok ezután mágneses térrel söpörtek végig az érintett térségen különböző irányokban, ami lehetővé tette számukra az egyes hibák spinjeinek számszerű meghatározását a mágneses tájolásokhoz viszonyítva.

A későbbiekben az energia-mérések eredményeit behelyettesítették egy modell egyenletbe, ami arra használatos, hogy leírja az elektron-nukleáris spin hiba kvantum kölcsönhatásait mágneses mező alatt. Ezután már csak meg kellett oldják az egyenletet az egyes hibák sikeres jellemzésére. 

A következő lépés a hibák és az NV közötti kölcsönhatás jellemzése volt. Ehhez a tudósok ismét eltérő irányokban mozdították el a mágneses teret, de ezúttal olyan energia-változásokat kerestek, amelyek a két hiba és az NV központ közötti kölcsönhatásokat írják le. Minél erősebb volt az interakció, annál közelebb voltak egymáshoz.  Az interakciók erősségei meghatározták a hibák helyét az NV központhoz, és egymáshoz viszonyítva is. Ezzel kiváló térkép készülhetett a gyémánt mindhárom hibájának pontos helyéről.

A hibák jellemzése és az NV központtal való viszonyuk megismerése lehetővé tette a tudósok számára a teljes, néhány lépésből álló ellenőrzést. 

  1. Kezdetnek, először pulzáló zöld fény impulzusokkal és mikrohullámok sorozatával célozták meg az NV központot és környezetét, amelyek elősegítették a három qubit észlelhető kvantumállapotba kerülését. 
  2. Ezután egy második impulzus-sorozatot használnak, amely ideális esetben egy rövid időre összefonódott állapotba hozza a három qubitet, majd bontja az összefonódást közöttük, ami lehetővé teszi a qubitek hármas-spin koherenciájának felismerését.

A tudósok ellenőrizték is a hármas-spin koherenciát, a rezonancia spektrum jelentős mértékű, tüske-szerű megugrásának mérésével. A rögzített tüske-jel mérési értéke lényegében a három qubit frekvenciáinak összege volt. Ha például a három qubit csak kevésbé vagy egyáltalán nem fonódott volna össze, akkor négy, különálló, sokkal alacsonyabb  tüske-jel lett volna a mérés eredménye.

Won Kyu Calvin Sun, vezető társszerző, az MIT Nukleáris Tudomány és Technika Tanszék végzős hallgatója és a Quantum Engineering csoport tagja azt mondta:  „Fekete doboz előtt állunk, minden NV központ környezetét tekintve, de amikor tesztelni kezdjük az NV környezetet, megjelennek a jelekben a hullámvölgyek, és mi

azon gondolkodunk, hogy milyen típusú spinek okozzák ezeket az anomáliákat. Amint kiderítjük az ismeretlen hibák spinjét és azok interakcióját az NV-központtal, elkezdhetjük ellenőrzés alá vonni a koherenciájukat. Ezek után pedig a kvantumrendszerünk teljes és egyetemes ellenőrzés alatt állhat."

Sun mellett a kutatásban részt vettek még, Alexandre Cooper vezető szerző, a Caltechről, Jean-Christophe Jaskula, az MIT Elektronika Kutatólaboratóriumának (RLE) kutatója és az MIT Quantum Engineering csoportjának tagja, Paola Cappellaro, a Nukleáris Tudományos és Műszaki Tanszék professzora, az RLE tagja és az MIT Quantum Engineering csoportjának vezetője. A tanulmány a Physical Letters Review-ban jelent meg február végén.

(Képek: Pxhere, Piqsels, Lars Plougmann)


 


Kövesd a Rakétát a Facebookon is!
Kövess, üzenj, kommentelj a Rakéta Facebook oldalán!
Ismerd meg a ROADSTER magazint!
AUTÓK - DESIGN - GASZTRO - KULT - UTAZÁS - TECH // Ha szereted a minőséget az életed minden területén, páratlan élmény lesz!
Ezek is érdekelhetnek
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!

Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.