Fortschritte bei langlebigen metastablen Qubits

Quantentechnologie basiert auf der Fähigkeit, Informationen in sehr kleinem Massstab zu speichern und zu manipulieren. Ein wichtiges Element dieser Technologie ist der Qubit, die grundlegende Einheit quantenmechanischer Information, ähnlich wie ein Bit in der klassischen Informatik. Typischerweise werden Qubits aus gefangenen Ionen gebildet, das sind geladene Atome, die in einer Falle mithilfe von elektrischen Feldern eingeschlossen werden.

In Standard-Setups werden Qubits aus dem Grundzustand der Ionen erzeugt, aber in letzter Zeit hat die Forschung den Fokus auf metastabile Zustände verschoben. Diese Zustände ermöglichen aufregende neue Möglichkeiten in der Quanteninformatik, einschliesslich der Verwendung verschiedener Arten von Qubits, ohne dass mehrere Sorten von Atomen im System benötigt werden. Das kann helfen, einige Probleme zu vermeiden, die mit der Verwendung unterschiedlicher Ionenarten verbunden sind.

Eine grosse Herausforderung bei der Verwendung metastabiler Zustände besteht darin, sicherzustellen, dass sie Quanteninformationen über längere Zeiträume hinweg effektiv speichern und aufrechterhalten können. Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, Qubits in diesen Zuständen über einen langen Zeitraum zu halten, insbesondere unter Verwendung der metastabilen Zustände eines einzelnen Barium-Ions (Ba137). Durch das Kühlen eines anderen Ions desselben Typs und das kontinuierliche Überprüfen auf Fehler haben die Forscher Kohärenzzeiten von 136 Sekunden erreicht. Das ist eine deutliche Verbesserung und vergleichbar mit den Kohärenzzeiten, die in traditionellen Grundzustands-Setups beobachtet werden.

#Experimentelle Einrichtung

Das Experiment begann mit der Einrichtung der Barium-Ionen. Die Forscher verwendeten eine Falle, die die Ionen an ihrem Platz hält, während sie ihre Experimente durchführen. Dieses Setup umfasst mehrere Laser, die entscheidend sind, um die Ionen zu kühlen und ihre Zustände zu überprüfen. Die Ionen werden manipuliert, indem die Lasereingaben angepasst und spezifische Radiofrequenzsignale angewendet werden.

Ein wichtiger Aspekt ist die Fähigkeit, den Zustand des Qubits in Echtzeit zu überwachen. Da das Kühllicht nicht stark mit dem Speicher-Qubit interagiert, kann sein Zustand überprüft werden, ohne seinen Betrieb zu stören. So konnten die Forscher bestätigen, ob ein Qubit in einen unerwünschten Zustand geleckt ist.

Das Ion wurde in ein spezifisches Energieniveau platziert, das als D-Zustand bekannt ist und metastabil ist. Dieser Zustand kann zerfallen, und wenn das passiert, können die Forscher identifizieren, welches Ion zerfallen ist. Dieser Zerfall kann als Fehler behandelt werden, der korrigiert werden kann, was die Zuverlässigkeit des Qubits verbessert.

#Ergebnisse der Experimente

Durch die Experimente mass die Forscher die Kohärenzzeiten mit und ohne das Fehlerschutzsystem. Als die Echtzeit-Fehlererkennung angewendet wurde, stellte sich heraus, dass die gemessene Kohärenzzeit 136 Sekunden betrug. Ohne dieses Erkennungssystem betrug die Kohärenzzeit nur 22 Sekunden, begrenzt durch die Zerfallsraten des metastabilen Zustands.

Diese Beobachtung hebt die Rolle der Leckageerkennung bei der Aufrechterhaltung der Integrität quantenmechanischer Informationen hervor. Die Fähigkeit, Fehlerereignisse in Echtzeit zu identifizieren und zu mindern, verbessert das Potenzial, diese metastabilen Zustände in praktischen Quantencomputing-Anwendungen zu nutzen.

Um die Kohärenzzeit weiter zu untersuchen und ihre Grenzen zu verstehen, haben die Forscher die zugrunde liegenden Geräuschprozesse, die das Qubit beeinflussen, modelliert. Sie Berücksichtigten Faktoren wie Schwankungen der Energie, die mit dem Qubit assoziiert sind, und wie sie die Stabilität des Zustands des Qubits beeinflussen.

#Bedeutung metastabiler Zustände

Metastabile Zustände bieten neue Möglichkeiten für Quantencomputing-Architekturen. Indem sie den Zugang zu zusätzlichen elektronischen Energieniveaus ermöglichen, können sie helfen, Operationen unabhängiger von den gewöhnlichen Grundzuständen durchzuführen. Diese Flexibilität kann zu neuen Layouts beim Bau von Quantencomputern sowie zu besseren Methoden zur Fehlerkorrektur führen.

Ein Vorteil der Verwendung metastabiler Zustände ist, dass sie eine bessere Fehlererkennung während quantenmechanischer Operationen ermöglichen können. Da der zerfallende Zustand verfolgt werden kann, ist es möglich, Fehlerkorrekturen durchzuführen, ohne die quantenmechanischen Informationen im System vollständig zu verlieren.

Allerdings haben diese metastabilen Zustände auch einige Einschränkungen. Sie stellen mehr Kanäle für den Zerfall dar, was eine sorgfältige Verwaltung während der Speicherung und Manipulation quantenmechanischer Informationen erfordert. Die experimentellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass es entscheidend ist, diese Verhaltensweisen zu verstehen, um metastabile Zustände effektiv in der Praxis zu nutzen.

#Umgang mit externen Einflüssen

Ein wesentlicher Teil des Experiments bestand darin, die Auswirkungen externen Geräuschs zu minimieren. Umgebungsfaktoren wie Veränderungen des Magnetfelds können die Stabilität des Qubits beeinflussen. Um diese Störungen zu reduzieren, installierten die Forscher supraleitende Abschirmungen um die Ionen, um unerwünschte magnetische Feldvariationen zu unterdrücken. Sie wendeten auch Strategien an, um zu minimieren, wie diese Schwankungen mit dem Qubit interagieren.

Verschiedene Geräuschquellen wurden während der Experimente identifiziert. Hochfrequentes Geräusch betraf hauptsächlich die Präzision der Laser- und RF-Signale, die zur Manipulation der Ionen verwendet wurden. Niederfrequentes Geräusch war mit den Betriebsbedingungen der Fangfelder verbunden. Strategien wurden entwickelt, um diese Geräuschquellen zu bearbeiten, um die Kohärenz und Funktionalität des Qubits während der Manipulation aufrechtzuerhalten.

#Zukünftige Anwendungen

Die Ergebnisse dieser Forschung deuten darauf hin, dass die Verwendung metastabiler Zustände für Qubits zukünftige Quantencomputersysteme erheblich verbessern könnte. Mit dem Fortschritt der Technologie könnten diese Zustände neue Wege eröffnen, um komplexe Algorithmen und Fehlerkorrekturstrategien effizienter umzusetzen.

Zum Beispiel könnte die Fähigkeit, Operationen an verschiedenen Zuständen innerhalb einer einzigen Ionenart durchzuführen, das Gesamtdesign von Quantenprozessoren vereinfachen. Es ermöglicht eine einfachere Skalierung der Systeme, ohne die Komplikationen, die mit der Verwendung mehrerer Ionenarten verbunden sind.

Zusätzlich könnte die erfolgreiche langfristige Speicherung quantenmechanischer Informationen in metastabilen Zuständen zu einer verbesserten Leistung quantenmechanischer Fehlerkorrekturtechniken führen. Da die Fähigkeit, Fehler in Echtzeit zu erkennen und zu beheben, immer ausgeklügelter wird, bietet sie einen vielversprechenden Ansatz für den Bau zuverlässiger und praktischer Quantencomputer, die in der Lage sind, komplexe Aufgaben auszuführen.

#Fazit

Zusammenfassend stellt die Forschung zu langlebigen metastabilen Qubit-Speichern einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Quanteninformationswissenschaft dar. Indem die vorherigen Einschränkungen im Zusammenhang mit der Kohärenzzeit von Qubits überwunden werden und die Effektivität der Echtzeit-Fehlerkorrektur demonstriert wird, ebnet die Studie den Weg für zukünftige Fortschritte in der Quantencomputing-Technologie. Die erfolgreiche Umsetzung dieser Prinzipien könnte letztendlich zu robusten Quantensystemen führen, die in der Lage sind, eine Vielzahl komplexer Herausforderungen in der Berechnung und Datenverarbeitung zu bewältigen.