Neuer Qubit-Durchbruch könnte Quantencomputing revolutionieren

Neue Qubit-Plattform: Elektronen aus einem heißen Lichtfaden (oben) landen auf festem Neon (roter Block), wo ein einzelnes Elektron (dargestellt als Wellenfunktion in Blau) von einem supraleitenden Quantenschaltkreis (gemusterter Wafer unten) eingefangen und verarbeitet wird. Bildquelle: Dafei Jin / Argonne National Laboratory

Eine neue Qubit-Plattform könnte die Quanteninformationswissenschaft und -technologie verändern.

Zweifellos sehen Sie sich diesen Artikel auf einem digitalen Gerät an, dessen grundlegende Informationseinheit das Bit ist, entweder 0 oder 1. Wissenschaftler auf der ganzen Welt bemühen sich um die Entwicklung eines neuen Computertyps, der auf der Verwendung von Quantenbits oder Qubits basiert.

In einer Forschungsarbeit, die am 4. Mai 2022 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur temperieren, ein Team unter der Leitung des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) hat die Schaffung einer neuen Qubit-Plattform angekündigt, die darin besteht, Neongas in einem Festkörper bei extrem niedrigen Temperaturen einzufrieren und Elektronen aus einem Glühbirnenfaden auf den Festkörper zu sprühen. und dort ein einzelnes Elektron einzufangen. Dieses System hat das Potenzial, sich zu idealen Bausteinen für Quantencomputer der Zukunft zu entwickeln.

„Es sieht so aus, als könnte sich ein perfektes Qubit am Horizont befinden. Dank der relativen Einfachheit der Elektronenplattform auf Neon sollte es einfach und kostengünstig herzustellen sein.“ Dafei Jin, Argon-Wissenschaftler am Zentrum für Nanomaterialien

Für einen brauchbaren Quantencomputer sind die Qualitätsanforderungen an Qubits sehr hoch. Obwohl es heute verschiedene Formen von Qubits gibt, ist keine davon optimal.

Was macht ein perfektes Qubit aus? Laut Duffy Jane, einer Argonne-Wissenschaftlerin und Hauptforscherin des Projekts, hat es mindestens drei Qualitäten von Sterling.

Es kann lange Zeit im synchronisierten Zustand 0 und 1 bleiben (denken Sie an die Katze!). Wissenschaftler nennen dies lange „Kohäsion“. Im Idealfall beträgt diese Zeit etwa eine Sekunde, was ein Zeitschritt ist, den wir in unserem täglichen Leben auf der Uhr zu Hause wahrnehmen können.

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Zweitens können Qubits in kurzer Zeit von einem Zustand in einen anderen geändert werden. Im Idealfall wäre diese Zeit etwa eine Milliardstel Sekunde (Nanosekunde), was einem Zeitschritt einer klassischen Computeruhr entspricht.

Drittens können Qubits einfach mit vielen anderen Qubits verknüpft werden, sodass sie parallel zueinander arbeiten können. Wissenschaftler bezeichnen diese Assoziation als Verschränkung.

Obwohl bekannte Qubits im Moment nicht perfekt sind, haben Unternehmen wie IBM, Intel, Google, Honeywell und viele andere Startups ihre Favoriten ausgewählt. Sie streben aggressiv nach technologischer Verbesserung und Kommerzialisierung.

„Unser ehrgeiziges Ziel ist es nicht, mit diesen Unternehmen zu konkurrieren, sondern ein grundlegend neues Qubit-System zu entdecken und aufzubauen, das zur perfekten Plattform führen kann“, sagte Jin.

Obwohl es viele Optionen für Qubit-Typen gibt, entschied sich das Team für die einfachste – ein einzelnes Elektron. Das Erhitzen eines einfachen Lichtfadens, den Sie vielleicht in einem Kinderspielzeug finden, kann leicht eine unbegrenzte Menge an Elektronen freisetzen.

Eine der Herausforderungen für jedes Qubit, einschließlich des Elektrons, besteht darin, dass es sehr empfindlich auf Störungen aus seiner Umgebung reagiert. Daher entschied sich das Team dafür, ein Elektron auf der Oberfläche eines hochreinen festen Neons im Vakuum einzufangen.

Neon ist ein inertes Element, das nicht mit anderen Elementen interagiert. „Aufgrund dieser Trägheit könnte festes Neon das sauberste feste Material sein, das in einem Vakuum möglich ist, um Qubits zu beherbergen und vor Störungen zu schützen“, sagte Jin.

Eine Schlüsselkomponente der Qubit-Plattform des Teams ist ein Mikrowellenresonator im Chip-Maßstab, der aus einem Supraleiter besteht. (Ein größerer Haushaltsmikrowellenherd ist auch ein Mikrowellenresonator.) Supraleiter – Metalle ohne elektrischen Widerstand – ermöglichen es Elektronen und Photonen, nahe zusammenzuwirken[{“ attribute=““>absolute zero with minimal loss of energy or information.

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“The microwave resonator crucially provides a way to read out the state of the qubit,” said Kater Murch, physics professor at the Washington University in St. Louis and a senior co-author of the paper. “It concentrates the interaction between the qubit and microwave signal. This allows us to make measurements telling how well the qubit works.”

“With this platform, we achieved, for the first time ever, strong coupling between a single electron in a near-vacuum environment and a single microwave photon in the resonator,” said Xianjing Zhou, a postdoctoral appointee at Argonne and the first author of the paper. “This opens up the possibility to use microwave photons to control each electron qubit and link many of them in a quantum processor,” Zhou added.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years.” — David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper

The team tested the platform in a scientific instrument called a dilution refrigerator, which can reach temperatures as low as a mere 10 millidegrees above absolute zero. This instrument is one of many quantum capabilities in Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science user facility.

The team performed real-time operations to an electron qubit and characterized its quantum properties. These tests demonstrated that the solid neon provides a robust environment for the electron with very low electric noise to disturb it. Most importantly, the qubit attained coherence times in the quantum state competitive with state-of-the-art qubits.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years,” said David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper. “This is only our first series of experiments. Our qubit platform is nowhere near optimized. We will continue improving the coherence times. And because the operation speed of this qubit platform is extremely fast, only several nanoseconds, the promise to scale it up to many entangled qubits is significant.”

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There is yet one more advantage to this remarkable qubit platform.“Thanks to the relative simplicity of the electron-on-neon platform, it should lend itself to easy manufacture at low cost,” Jin said. “It would appear an ideal qubit may be on the horizon.”

Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x

The team published their findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin and Zhou, Argonne contributors include Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li and Ralu Divan. In addition to David Schuster, the University of Chicago contributors also include Brennan Dizdar. In addition to Kater Murch of Washington University in St. Louis, other researchers include Wei Guo of Florida State University, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.

Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research.

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