Forscher bauen neues Gerät, das eine Grundlage für Quantencomputing bildet

Wissenschaftler unter der Leitung der University of Massachusetts Amherst haben ein Gerät namens Mikrowellenzirkulator für den Einsatz in Quantencomputern adaptiert und es ihnen damit erstmals ermöglicht, den genauen Grad der Nichtreziprozität zwischen einem Qubit, der Grundeinheit des Quantencomputings, und einer Mikrowelle genau abzustimmen -Resonanzhohlraum.

Die Fähigkeit, den Grad der Nichtreziprozität präzise abzustimmen, ist ein wichtiges Werkzeug bei der Quanteninformationsverarbeitung. Dabei hat das Team, zu dem auch Mitarbeiter der University of Chicago gehörten, eine allgemeine und weithin anwendbare Theorie abgeleitet, die ältere Erkenntnisse über Nichtreziprozität vereinfacht und erweitert, sodass künftige Arbeiten zu ähnlichen Themen vom Modell des Teams profitieren können, selbst wenn andere verwendet werden Komponenten und Plattformen.

Die Forschung ist veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritte.

Quantencomputing unterscheidet sich grundlegend vom bitbasierten Computing, das wir alle täglich betreiben. Ein Bit ist eine Information, die typischerweise als 0 oder 1 ausgedrückt wird. Bits sind die Grundlage für alle Software, Websites und E-Mails, aus denen unsere elektronische Welt besteht.

Im Gegensatz dazu basiert das Quantencomputing auf „Quantenbits“ oder „Qubits“, die wie normale Bits sind, außer dass sie durch die „Quantenüberlagerung“ zweier Zustände eines Quantenobjekts dargestellt werden. Materie in einem Quantenzustand verhält sich ganz anders, was bedeutet, dass Qubits nicht nur Nullen oder Einsen sein müssen – sie können beide gleichzeitig sein, auf eine Weise, die wie Magie klingt, aber durch die Quantengesetze genau definiert ist Mechanik. Diese Eigenschaft der Quantenüberlagerung führt zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit von Quantencomputern.

Darüber hinaus kann eine Eigenschaft namens „Nichtreziprozität“ zusätzliche Möglichkeiten für das Quantencomputing eröffnen, um das Potenzial der Quantenwelt auszuschöpfen.

„Stellen Sie sich ein Gespräch zwischen zwei Menschen vor“, sagt Sean van Geldern, Doktorand der Physik an der UMass Amherst und einer der Autoren des Artikels. „Völlige Reziprozität liegt vor, wenn jede Person in diesem Gespräch die gleiche Menge an Informationen teilt. Nichtreziprozität liegt vor, wenn eine Person etwas weniger teilt als die andere.“

„Dies ist im Quantencomputing wünschenswert“, sagt der leitende Autor Chen Wang, Assistenzprofessor für Physik an der UMass Amherst, „denn es gibt viele Computerszenarien, in denen man umfassenden Zugriff auf Daten gewähren möchte, ohne jemandem die Macht zu geben, diese zu ändern oder zu verschlechtern.“ Daten.“

Um die Nichtreziprozität zu kontrollieren, führten die Hauptautorin Ying-Ying Wang, Doktorandin der Physik an der UMass Amherst, und ihre Co-Autoren eine Reihe von Simulationen durch, um das Design und die Eigenschaften zu bestimmen, die ihr Zirkulator haben müsste, damit sie seine Nichtreziprozität variieren können. Anschließend bauten sie ihren Zirkulator und führten eine Vielzahl von Experimenten durch, nicht nur um ihr Konzept zu beweisen, sondern auch um genau zu verstehen, wie ihr Gerät die Nichtreziprozität ermöglichte.

Dabei konnten sie ihr Modell, das 16 Parameter enthielt, die den Bau ihres spezifischen Geräts detailliert beschrieben, zu einem einfacheren und allgemeineren Modell mit nur sechs Parametern überarbeiten. Dieses überarbeitete, allgemeinere Modell ist viel nützlicher als das ursprüngliche, spezifischere Modell, da es auf eine Reihe zukünftiger Forschungsbemühungen umfassend anwendbar ist.

Das „integrierte nichtreziproke Gerät“, das das Team gebaut hat, sieht aus wie ein „Y“. Im Zentrum des „Y“ befindet sich der Zirkulator, der wie ein Verkehrskreisel für die Mikrowellensignale dient, die die Quantenwechselwirkungen vermitteln. Eines der Beine ist der Hohlraumport, ein resonanter supraleitender Hohlraum, der ein elektromagnetisches Feld beherbergt. Ein anderes Bein des „Y“ hält das Qubit, gedruckt auf einem Saphirchip. Der letzte Abschnitt ist der Ausgangsport.

„Wenn wir das supraleitende elektromagnetische Feld variieren, indem wir es mit Photonen bombardieren“, sagt Ying-Ying Wang, „sehen wir, dass dieses Qubit auf vorhersehbare und kontrollierbare Weise reagiert, was bedeutet, dass wir genau einstellen können, wie viel Reziprozität wir wollen.“ Und das Das von uns erstellte vereinfachte Modell beschreibt unser System so, dass die externen Parameter berechnet werden können, um einen genauen Grad an Nichtreziprozität einzustellen.

„Dies ist die erste Demonstration der Einbettung von Nichtrezeptivität in ein Quantencomputergerät“, sagt Chen Wang, „und es öffnet die Tür zur Entwicklung anspruchsvollerer Quantencomputerhardware.“