快速跟蹤控制加速量子比特的切換

從筆記本電腦到手機(jī)，今天的技術(shù)在電荷通過(guò)電路引導(dǎo)的速度不斷提高。通過(guò)加速對(duì)原子和納米級(jí)系統(tǒng)中量子態(tài)的控制，可以在新興的量子技術(shù)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的進(jìn)步。

芝加哥大學(xué)物理學(xué)家，能源部(DOE)阿貢實(shí)驗(yàn)室，麥吉爾大學(xué)和康斯坦茨大學(xué)的物理學(xué)家之間的國(guó)際合作最近展示了一種新的框架，可以更快地控制量子比特 - 這是信息的基本單位。將于11月28日在線發(fā)表在“ 自然 - 物理學(xué)”雜志上的研究成果。他們對(duì)金剛石芯片中單個(gè)電子的實(shí)驗(yàn)可以使量子器件在高速運(yùn)行時(shí)不易出錯(cuò)。

為了理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們可以看看經(jīng)典動(dòng)力學(xué)的最終速度設(shè)置：印第安納波利斯500或Daytona 500的橢圓形賽道。為了讓賽車(chē)以驚人的速度駕駛轉(zhuǎn)彎，賽道的路面被“堆積”起來(lái)到30度。路面的向內(nèi)傾斜允許道路提供的法向力幫助抵消汽車(chē)的離心加速度，或者從轉(zhuǎn)彎處向外滑動(dòng)的趨勢(shì)。賽車(chē)的速度越大，所需的傾斜角度越大。

“量子粒子的動(dòng)力學(xué)行為類(lèi)似，”麥吉爾大學(xué)理論物理學(xué)教授Aashish Clerk說(shuō)。“雖然運(yùn)動(dòng)方程式不同，但為了高速準(zhǔn)確地改變量子粒子的狀態(tài)，你需要設(shè)計(jì)正確的軌道來(lái)傳遞正確的力量。”

Clerk與McGill博士后研究員Alexandre Baksic和Hugo Ribeiro一起，制定了一項(xiàng)新技術(shù)，通過(guò)巧妙地吸收量子粒子感受到的有害加速度，實(shí)現(xiàn)更快的量子動(dòng)力學(xué)。除非經(jīng)過(guò)補(bǔ)償，否則這些加速度會(huì)使粒子從其在量子態(tài)空間中的預(yù)期軌跡轉(zhuǎn)移，類(lèi)似于離心加速度如何使賽車(chē)偏離軌道上的預(yù)定賽車(chē)線。

芝加哥大學(xué)分子工程研究所的自旋電子學(xué)和量子信息教授David Awschalom意識(shí)到，在與他自己的團(tuán)隊(duì)和Clerk集團(tuán)成員討論之后，新理論可以用來(lái)加速他實(shí)驗(yàn)室中基于鉆石的量子器件。然而，正如建造高速公路在土木工程中提出了挑戰(zhàn)一樣，執(zhí)行Clerk和同事設(shè)想的控制序列也提出了量子工程中的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。

構(gòu)建量子快速軌道需要在其金剛石芯片內(nèi)部缺陷處捕獲的單個(gè)電子上發(fā)出錯(cuò)綜復(fù)雜形狀的同步激光脈沖。這個(gè)實(shí)驗(yàn)性的成就是由Awschalom集團(tuán)的成員Brian Zhou和團(tuán)隊(duì)成員Christopher Yale，F(xiàn)。Joseph Heremans和Paul Jerger共同完成的。

“我們證明了這些新協(xié)議可以將量子位的狀態(tài)從”關(guān)閉“轉(zhuǎn)換為”打開(kāi)“，比傳統(tǒng)方法快300%，”Agonchalom說(shuō)，他也是Argonne的資深科學(xué)家。“從操作時(shí)間開(kāi)始每隔納秒剃須對(duì)于減少量子退相干的影響至關(guān)重要，”他解釋說(shuō)，指的是量子信息丟失到環(huán)境中的過(guò)程。

康斯坦茨大學(xué)教授Guido Burkard和博士后Adrian Auer加入了Awschalom和Clerk小組的成員，以檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。“將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為超出實(shí)驗(yàn)室的前景是，即使系統(tǒng)沒(méi)有完全隔離，它們也是有效的，”鉆石量子系統(tǒng)領(lǐng)先專(zhuān)家Burkard說(shuō)。

研究人員預(yù)計(jì)，他們的方法可以進(jìn)一步應(yīng)用于快速準(zhǔn)確地控制原子的物理運(yùn)動(dòng)或不同系統(tǒng)之間量子態(tài)的轉(zhuǎn)移，并為量子應(yīng)用帶來(lái)好處，例如安全通信和復(fù)雜系統(tǒng)的仿真。