Neue Methode zur Steuerung von Qubits könnte Quantencomputer voranbringen

Quantencomputing, ein Bereich, der sich zur Berechnung von Ergebnissen auf die Prinzipien der Quantenmechanik stützt, hat das Potenzial, Aufgaben auszuführen, die für herkömmliche Computer zu komplex sind, und dies mit hoher Geschwindigkeit, was es in gewisser Weise zu einer neuen Grenze für Wissenschaft und Technik macht. Um zu dem Punkt zu gelangen, an dem Quantencomputer ihr erwartetes Leistungspotenzial erreichen können, ist die Entwicklung von großen Quantenprozessoren und Quantenspeichern erforderlich. Die präzise Steuerung von Qubits – oder Quantenbits, den Grundbausteinen von Quantencomputern – ist dafür von entscheidender Bedeutung, aber Methoden zur Steuerung von Qubits haben Einschränkungen für massive hochdichte Verdrahtungen mit hoher Präzision.

Jetzt haben Forscher der Yokohama National University in Japan einen Weg gefunden, Qubits ohne die bisherigen Einschränkungen präzise zu steuern. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Naturphotonik am 26. Juli 2022.

„Mikrowellen werden normalerweise für die individuelle Quantenkontrolle verwendet, aber es ist eine individuelle Verdrahtung von Mikrowellenleitungen erforderlich“, sagte Hideo Kosaka, korrespondierender Autor des Papiers, Direktor des Quantum Information Research Center im Institute of Advanced Sciences und Professor am Department of Physics im Graduate School of Engineering an der Yokohama National University. „Andererseits ist es möglich, Qubits lokal, aber nicht präzise, ​​mit Licht zu manipulieren.“

Kosaka und die anderen Forscher konnten die Kontrolle über Qubits demonstrieren, indem sie den Elektronenspin durch eine Kombination aus Mikrowellenmanipulation und lokaler optischer Verschiebung der Übergangsfrequenzen von Atomen und Molekülen manipulierten, ein Prozess, der als Stark-Verschiebung bekannt ist, unter Verwendung eines Stickstoff-Leerstellenzentrums. eine Art Punktdefekt – in einem Diamanten. Mit anderen Worten, sie waren in der Lage, optische Methoden, die auf Licht von Lasern beruhen, mit Mikrowellen zu kombinieren, um die bisherigen Einschränkungen zu überwinden.

Die Forscher konnten auch zeigen, dass diese Kontrolle des Elektronenspins wiederum den Kernspin des Stickstoffatoms am Stickstoff-Leerstellenzentrum sowie die Wechselwirkung zwischen Elektron und Kernspin steuern könnte. Dies ist von Bedeutung, da es eine präzise Steuerung von Qubits ohne Verkabelungsprobleme ermöglicht.

„Die gleichzeitige Einstrahlung von Licht und Mikrowellen ermöglicht eine individuelle und präzise Steuerung von Qubits ohne individuelle Verkabelung“, sagte Kosaka. „Dies hat den Weg für große Quantenprozessoren und Quantenspeicher geebnet, die für die Entwicklung von großen Quantencomputern unerlässlich sind.“

Darüber hinaus konnten die Forscher eine Quantenverschränkung – einen Zustand, in dem Teilchen im gleichen Zustand existieren, auch wenn sie physisch getrennt sind – zwischen den Elektronen- und Kernspins erzeugen, um einen Photonenzustand für den Übergang in den Kernspinzustand vorzubereiten. Dies ermöglicht eine Interqubit-Konnektivität mit dem Photon, erfordert letztendlich weniger Rechenleistung und ermöglicht die Übertragung von Informationen an Quantenprozessoren und Quantenspeicher durch das Prinzip der Quantenteleportation.

Die neue Methode erfüllt alle DiVincenzo-Kriterien, die für die Funktion eines Quantencomputers erforderlich sind, und umfasst Skalierbarkeit, Initialisierung, Messung, universelles Gate und lange Kohärenz. Es kann auch über die Stark-Verschiebung hinaus und auf andere Magnetfeldschemata angewendet werden, um Qubits in diesen Szenarien individuell zu manipulieren, und es kann vor gängigen Arten von Rechenfehlern wie Gate-Fehlern oder Umgebungsrauschen schützen.

„Der Grund für die verbesserte Genauigkeit unseres Schemas gegenüber rein optischen Schemata ist die Verwendung eines überschüssigen Freiheitsgrades, der leichter zu kontrollieren ist“, sagte Kosaka und bezog sich auf die Anzahl der Variablen, die mit dieser Methode kontrolliert werden können.

Laut den Forschern ist dieser Fortschritt ein Schritt in Richtung Quantencomputing in größerem Maßstab.

„Durch die weitere Verbesserung der Auflösung der einzelnen Quantenoperationen und Verschränkungsoperationen können hochintegrierte Diamant-Quantencomputer, Quantenspeicher und Quantensensoren realisiert werden“, sagte Kosaka. „Es wird auch die Datenübertragungskapazität des Quanten-Repeater-Netzwerks für die Langstrecken-Quantenkommunikation und das verteilte Quantencomputer-Netzwerk oder das Quanten-Internet verbessern.“

Die anderen Autoren des Artikels waren Yuhei Sekiguchi vom Institute of Advanced Sciences der Yokohama National University sowie Kazuki Matsushita und Yoshiki Kawasaki, beide vom Department of Physics der Graduate School of Engineering der Yokohama National University.

Zur Verfügung gestellt von der Yokohama National University