Zerstörungsfreie Messung in Ytterbium-Qubits realisiert, um skalierbares Quantencomputing mit neutralen Atomen zu unterstützen

Atome des Metalls Ytterbium-171 könnten den perfekten Qubits in der Natur am nächsten kommen. Eine aktuelle Studie zeigt, wie sie für wiederholte Quantenmessungen und Qubit-Rotationen verwendet werden können, was bei der Entwicklung skalierbarer Quantencomputer hilfreich sein könnte.

Physiker der University of Illinois Urbana-Champaign haben ein Verfahren zur Messung von Ytterbium-171-Qubits entwickelt, das sie für die zukünftige Verwendung konserviert. Wie die Forscher Bericht im Tagebuch PRX QuantumDurch diese „zerstörungsfreie Messung“ konnten sie den Prozessor für lange, mehrstufige Berechnungen verwenden, die vielen Quantenalgorithmen zugrunde liegen.

„Ytterbium-171 hat sich in den letzten Jahren zu einem vielversprechenden Kandidaten für Quantencomputer entwickelt“, sagte William Huie, der Hauptautor der Studie. „Und nachdem wir nun zerstörungsfreie Messungen und Qubit-Rotationen demonstriert haben, haben wir gezeigt, dass Anordnungen von Ytterbiumatomen für bestimmte Klassen von Quantencomputeroperationen vielversprechend sind.“

Von den vielen Quantencomputerplattformen, die derzeit erforscht werden, sind Anordnungen neutraler Atome wie Ytterbium eine der vielversprechendsten. Sie lassen sich problemlos auf große Systemgrößen skalieren, und da sie natürlich vorkommende Atome verwenden, gibt es weniger Hardware- und Herstellungsprobleme. Bestimmte Atomarten sind jedoch schwieriger zu verwenden, da sie eine komplexe Ebenenstruktur aufweisen.

„Quantencomputing basiert auf Qubits – im Grunde Quantensystemen mit zwei zugänglichen Ebenen“, sagte Jacob Covey, Physikprofessor an der University of I. und Projektleiter. „Allerdings können Atome trotz all ihrer Vorteile Dutzende zugänglicher Ebenen haben. Es kann eine ziemliche Herausforderung sein, sicherzustellen, dass man jeweils nur mit zwei Ebenen arbeitet.“

Ytterbium-171 hat in den letzten Jahren Aufmerksamkeit erregt, weil es beim Abkühlen auf den niedrigsten Energiezustand nur zwei zugängliche Quantenniveaus enthält. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Eingriff an den Atomen diese aus dem gewünschten zweistufigen Qubit-Zustand bringt, weitaus geringer, was die zerstörungsfreie Messung erheblich erleichtert.

„Aber vielleicht ein wenig kontraintuitiv, gehen diese Eigenschaften, die für Quantenoperationen sehr schön sind, auf Kosten einer weitaus komplizierteren Gesamtstruktur im Atom“, sagte Covey. „Wir und andere Gruppen, die mit Ytterbium und anderen erdalkaliähnlichen Atomen arbeiten, mussten viele der heute Standardtechniken in der Atomphysik neu entwickeln, um ihre Komplikationen zu bewältigen.“

Die Forscher berichten, dass ihnen die zerstörungsfreie Messung von Ytterbium-171-Qubits mit einer Erfolgsquote von 99 % gelungen ist. Sie demonstrieren die Leistungsfähigkeit ihres Systems durch die Implementierung einer Technik namens adaptive Echtzeitsteuerung, bei der ein klassischer Computer verwendet wird, um die Ytterbium-Qubits basierend auf Messergebnissen zu steuern.

„Algorithmen, die auf Qubits basieren, die von klassischen Computern extern gesteuert werden, haben in der Quanteninformationswissenschaft begonnen, an Bedeutung zu gewinnen“, sagte Huie. „Die Community stellt fest, dass die Messung und Steuerung von Qubits in Zwischenstadien einer Berechnung in manchen Szenarien weitaus effizienteres Quantenverhalten im großen Maßstab erzeugen kann. Mit Blick auf die Zukunft freut sich unsere Gruppe daher darauf, unsere Ytterbium-Plattform zur Erforschung dieser neueren Entwicklungen zu nutzen.“ “