Ученые демонстрируют новый метод увеличения времени, в течение которого кубиты могут хранить информацию, нарушая симметрию их окружения.
Что случилось
Ученые продемонстрировали, что они могут продлить срок службы молекулярного кубита, изменив структуру окружающего кристалла, сделав его менее симметричным.
Асимметрия защищает кубит от шума, позволяя ему хранить информацию в пять раз дольше, чем если бы он был размещен в симметричной структуре. Исследовательская группа достигла времени когерентности — времени, в течение которого кубит сохраняет информацию, — 10 микросекунд, или 10 миллионных долей секунды, по сравнению с 2-микросекундным временем когерентности молекулярного кубита в симметричном кристалле-хозяине.
«Эта новообретенная способность химически контролировать среду хозяина открывает новые возможности для целенаправленного применения молекулярных кубитов». — Данна Фридман, Массачусетский технологический институт
Результат, опубликованный в Physical Review X , исходит от группы исследователей из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Массачусетского технологического института, Северо-Западного университета, Чикагского университета и Университета Глазго. Результат частично поддерживается Q-NEXT, Национальным исследовательским центром квантовой информации Министерства энергетики США, возглавляемым Аргонном.
Немного предыстории
- Кубит — это фундаментальная единица квантовой информации, квантовый аналог традиционного вычислительного бита.
- Кубиты могут удерживать информацию только до тех пор, пока шум или мешающие сигналы не уничтожат информацию. Увеличение периода времени, в течение которого информация остается стабильной, известного как время когерентности, является одной из самых больших проблем в квантовой информатике.
- Кубиты бывают разных типов, один из которых представляет собой молекулу, созданную в лаборатории. Молекулярные кубиты являются модульными, то есть их можно легко перемещать из одной среды в другую. Напротив, другие типы кубитов, например, сделанные из полупроводников, сильно привязаны к окружающей среде.
Почему это важно
- Более длительное время когерентности : более длительное время когерентности делает кубиты более полезными в таких приложениях, как вычисления, междугородняя связь и зондирование в таких областях, как медицина, навигация и астрономия.
- Модульность : поскольку время когерентности можно увеличить, изменив корпус кубита или поместив его в более асимметричное положение относительно корпуса, нет необходимости менять сам кубит для увеличения срока службы. Просто измените его положение.
«Молекулярная химия позволяет нам заменить кристаллический материал, в котором находится кубит, а также модифицировать сам кубит», — сказала Данна Фридман, профессор химии Ф. Г. Киза в Массачусетском технологическом институте и соавтор статьи. «Добавление этого нового уровня контроля является очень мощным».
«Изменение было реализовано путем простого обмена отдельными атомами на молекулах-хозяевах, одного из самых маленьких изменений, которые вы могли получить, и оно привело к пятикратному увеличению времени когерентности», — сказал Сэм Бейлисс из Университета Глазго, который является соавтором. изучение. «Это хорошая демонстрация той настраиваемости на атомном уровне, которую вы получаете с молекулами. Химические методы по своей сути обеспечивают контроль на уровне отдельных атомов, что является мечтой многих современных технологий».
- Изменчивость . Эффективность этого метода нарушения симметрии означает, что молекулярные кубиты могут работать в самых разных средах, даже в тех, в которых невозможно уменьшить шум.
«Мы создали новый способ изменения свойств когерентности в молекулярных системах, — сказал Фридман. «Эта новообретенная способность химически контролировать среду хозяина открывает новые возможности для целенаправленного применения молекулярных кубитов».
«Хотя 10 микросекунд могут показаться не слишком длинными по сравнению с некоторыми системами, имейте в виду, что мы ничего не сделали для уменьшения источников шума. В измеренных нами средах шум очень значителен. кубиты в основном этого не видят», — сказал Бейлисс. «А почему бы нам просто не удалить источник шума? В практических случаях не всегда возможно работать в сверхчистой среде. Поэтому иметь кубит, который может работать в шумной среде, может быть выгодно».
Детали
- Кубит команды состоит из иона на основе хрома, присоединенного к молекулам на основе углерода.
- Для молекулярного кубита основным источником шума являются магнитные поля в его окружении. Магнитные поля имеют тенденцию смещать энергетические уровни кубита, которые кодируют информацию. Асимметрия кристалла защищает кубит от потенциально разрушительных магнитных полей, и информация сохраняется дольше.
- В дополнение к улучшению свойств кубита команда разработала математический инструмент, который точно предсказывает время когерентности любого молекулярного кубита на основе структуры кристалла-хозяина.
«Это невероятно интересно для нас», — сказал Бейлисс. «Одна из самых захватывающих вещей заключалась в том, насколько большой прогресс может быть достигнут с помощью этих систем за короткий промежуток времени, и насколько незначительными могут быть некоторые модификации матрицы хоста, чтобы получить довольно значительное улучшение».
«Я рад наблюдать за новой интересной особенностью молекулярной химии», — сказал Фридман.
«Это важная разработка. Возможность точно настроить среду кубита — уникальное преимущество молекулярных кубитов. Это нелегко сделать в других материальных системах», — сказал директор Q-NEXT и соавтор статьи Дэвид Авшалом, который также является старшим научным сотрудником Аргонны, заместителем декана по исследованиям и инфраструктуре и профессором молекулярной инженерии и физики семьи Лью в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета и директором Чикагской квантовой биржи. «Знание того, что мы можем продлить срок службы кубита, спроектировав его среду, открывает новые возможности для приложений в области квантовых вычислений, датчиков и связи».
Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США, Национальными исследовательскими центрами квантовой информации и Управлением фундаментальных энергетических наук.