Quantencomputer, also Maschinen, die Berechnungen unter Ausnutzung quantenmechanischer Phänomene durchführen, könnten bei manchen Aufgaben klassische Computer übertreffen, indem sie quantenmechanische Ressourcen wie Zustandsüberlagerungen und Verschränkung nutzen. Allerdings sind die Quantenzustände, auf die sie sich bei der Durchführung von Berechnungen verlassen, anfällig für ein Phänomen namens Dekohärenz, das den Verlust der Quantenkohärenz und den Übergang zur klassischen Mechanik zur Folge hat.
Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie in Deutschland und von Quantum Machines in Israel haben kürzlich ein Experiment durchgeführt, das darauf abzielt, besser zu verstehen, wie Umgebungen verbessert werden können, um die Dekohärenz von Quantenzuständen zu verhindern und so die Leistung von Quantencomputer-Hardware zu verbessern. In ihrem Artikel, veröffentlicht in NaturphysikSie demonstrierten die Verwendung einer Quanten-Szilard-Engine, eines Mechanismus, der Informationen in Energie umwandelt, um eine zweistufige Systemhyperpolarisierung einer Qubit-Umgebung zu erreichen.
„Eine der größten Herausforderungen quantensupraleitender Schaltkreise besteht darin, die Kohärenz der Quantenzustände aufrechtzuerhalten“, sagten Ioan Pop und Martin Spiecker, zwei der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Dies wird durch die Energierelaxationszeit T1 und die Dephasierungszeit Tphi quantifiziert. Bei der Durchführung von T1-Energierelaxationsmessungen stellten wir fest, dass die Qubitrelaxation für verschiedene Initialisierungssequenzen nicht gleich war, ähnlich den Beobachtungen von Gustavsson et al., veröffentlicht in Science.“ im Jahr 2016. Dies motivierte uns, die in der Arbeit vorgestellten Quanten-Szilard-Wärmekraftmaschinensequenzen zu entwerfen und umzusetzen.“
Ein Szilard-Motor ähnelt dem sogenannten Maxwell-Daemon, einer hypothetischen Maschine oder einem Wesen, das die Bewegung einzelner Partikel oder Moleküle erkennen und darauf reagieren kann. Allerdings arbeitet die Quanten-Szilard-Engine nicht wie ein Maxwell-Daemon mit klassischen Teilchen, sondern mit einem einzelnen Quantenbit (d. h. einem Qubit).
Pop, Spiecker und ihre Kollegen erkannten, dass die von ihnen entwickelte Szilard-Engine eine Hyperpolarisierung einer Qubit-Umgebung induziert. Darüber hinaus waren sie überrascht, eine sehr langsame Relaxationszeit dieser Umgebung zu beobachten, die aus Zwei-Ebenen-Systemen (TLSs) besteht, die das Qubit um Größenordnungen überleben.
„Durch die kontinuierliche Messung des Qubits und das Umdrehen seines Zustands, um entweder den Zustand 1 (oder 0) zu stabilisieren, nutzt der Motor im Wesentlichen die vom Qubit erfassten Informationen, um seine Umgebung zu erwärmen (oder abzukühlen)“, erklärten Pop und Spiecker. „Indem wir den Motor ausreichend lange laufen lassen, können wir die Umgebung des Qubits in einen hyperpolarisierten Zustand bringen, der weit vom thermischen Gleichgewicht entfernt ist. Darüber hinaus können wir durch die Überwachung der Qubit-Relaxation etwas über die Natur der Umgebung und die Wechselwirkung zwischen Qubit und Umgebung lernen.“ “
Mithilfe ihrer Quanten-Szilard-Engine konnten die Forscher die Kopplung zwischen einem supraleitenden Fluxonium-Qubit und einer Sammlung von TLSs aufdecken, die eine verlängerte Energierelaxationszeit über 50 ms aufwiesen. Dieses System könnte abgekühlt werden, um die Qubit-Population unter die Temperatur des Kryostaten von 20 mK zu reduzieren, und erhitzt werden, um eine Umgebung mit einer Qubit-Population von etwa 80 % zu schaffen.
„Die zuvor verborgene TLS-Umgebung erwies sich als Hauptverlustmechanismus für das Qubit, während die TLSs selbst, fast paradoxerweise, praktisch verlustfrei sind“, sagten Pop und Spiecker.
„Dies ist eine entscheidende Feinheit, denn sie impliziert, dass das Qubit T1 unabhängig von der TLS-Population ist und Strategien zur Verbesserung der T1-Relaxationszeiten, die auf der TLS-Sättigung basieren, nicht realisierbar sind. Zu guter Letzt haben unsere Experimente eine neue bisher unbekannte TLS-Umgebung mit um Größenordnungen längeren Relaxationszeiten im Vergleich zu den üblicherweise gemessenen dielektrischen TLSs.“
Die jüngsten Arbeiten von Pop, Spiecker und ihren Kollegen könnten wertvolle praktische Auswirkungen haben. Ihre Ergebnisse unterstreichen beispielsweise die Notwendigkeit, Umweltgedächtniseffekte in Dekohärenzmodelle für supraleitende Schaltkreise einzubeziehen. Diese wichtige Erkenntnis könnte dazu beitragen, Quantenfehlerkorrekturmodelle für supraleitende Quantenhardware zu verbessern, Modelle, die dazu beitragen können, die negativen Auswirkungen von Rauschen in Quantenprozessoren abzumildern.
„Eine der offenen Fragen ist die physikalische Natur dieser langlebigen TLSs, bei denen es sich um elektronische Spins, eingefangene Quasiteilchen (gebrochene Cooper-Paare) oder adsorbierte Moleküle an der Oberfläche oder etwas ganz anderes handeln könnte“, fügten Pop und Spiecker hinzu. „Wir führen derzeit Experimente durch, um die spektrale Dichte dieser TLSs zu messen und einige Erkenntnisse über ihre Natur zu gewinnen. Das ultimative Ziel besteht natürlich darin, alle TLSs aus unserer Umgebung zu entfernen und die Qubit-Kohärenz zu verbessern. In unserem Fall würde dies das Qubit T1 vervierfachen.“ .“
Mehr Informationen:
Martin Spiecker et al., Zweistufige Systemhyperpolarisation unter Verwendung einer Quanten-Szilard-Engine, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02082-8
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