Die revolutionäre neue Qubit-Plattform könnte das Quantencomputing verändern

Qubit-Plattform Single Electron auf Solid Neon

Eine Illustration der Qubit-Plattform aus einem einzelnen Elektron auf festem Neon. Forscher froren Neongas bei sehr niedrigen Temperaturen zu einem Festkörper ein, sprühten Elektronen aus einer Glühbirne auf den Festkörper und fingen dort ein einzelnes Elektron ein, um ein Qubit zu erzeugen. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Dafei Jin/Argonne National Laboratory

Das digitale Gerät, das Sie zum Anzeigen dieses Artikels verwenden, verwendet zweifellos das Bit, das entweder 0 oder 1 sein kann, als grundlegende Informationseinheit. Wissenschaftler auf der ganzen Welt bemühen sich jedoch um die Entwicklung eines neue Art von Computer basierend auf der Verwendung von Quantenbits oder Qubits, die gleichzeitig 0 und 1 sein können und eines Tages komplexe Probleme jenseits aller klassischen Supercomputer lösen könnten.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des US-Energieministeriums (DOE) Argonne National Laboratoryhat in enger Zusammenarbeit mit Wei Guo, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am FAMU-FSU College of Engineering, die Schaffung einer neuen Qubit-Plattform angekündigt, die vielversprechend für die Entwicklung zukünftiger Quantencomputer ist. Ihre Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

„Quantencomputer könnten ein revolutionäres Werkzeug sein, um Berechnungen durchzuführen, die für klassische Computer praktisch unmöglich sind, aber es gibt noch viel zu tun, um sie Wirklichkeit werden zu lassen“, sagte Guo, ein Co-Autor des Papiers. „Wir glauben, dass wir mit dieser Forschung einen Durchbruch haben, der einen großen Beitrag zur Herstellung von Qubits leistet, die dazu beitragen, das Potenzial dieser Technologie auszuschöpfen.“

Das Team erzeugte sein Qubit, indem es Neongas bei sehr niedrigen Temperaturen in einen Festkörper einfrierte, Elektronen aus einer Glühbirne auf den Festkörper sprühte und dort ein einzelnes Elektron einfing.

Wei Guo

FAMU-FSU College of Engineering Außerordentlicher Professor für Maschinenbau Wei Guo. Bildnachweis: Florida State University

Obwohl es viele Qubit-Typen gibt, entschied sich das Team für den einfachsten – ein einzelnes Elektron. Das Erhitzen eines einfachen Lichtfadens, wie Sie ihn vielleicht in einem Kinderspielzeug finden, kann leicht einen grenzenlosen Vorrat an Elektronen verschießen.

Eine wichtige Eigenschaft von Qubits ist ihre Fähigkeit, lange Zeit in einem simultanen 0- oder 1-Zustand zu bleiben, der als „Kohärenzzeit“ bekannt ist. Diese Zeit ist begrenzt, und die Grenze wird durch die Art und Weise bestimmt, wie Qubits mit ihrer Umgebung interagieren. Defekte im Qubit-System können die Kohärenzzeit erheblich verkürzen.

Aus diesem Grund entschied sich das Team dafür, ein Elektron auf einer ultrareinen festen Neonoberfläche im Vakuum einzufangen. Neon ist eines von nur sechs inerten Elementen, was bedeutet, dass es nicht mit anderen Elementen reagiert.

„Aufgrund dieser Trägheit kann festes Neon als der sauberste Feststoff in einem Vakuum dienen, um Qubits zu beherbergen und vor Störungen zu schützen“, sagte Dafei Jin, ein Argonne-Wissenschaftler und Hauptforscher des Projekts.

Durch die Verwendung eines supraleitenden Resonators im Chipmaßstab – wie ein Miniaturmikrowellenofen – war das Team in der Lage, die eingefangenen Elektronen zu manipulieren, sodass sie Informationen aus dem Qubit lesen und speichern konnten, wodurch es für den Einsatz in zukünftigen Quantencomputern nützlich wurde.

Frühere Forschungen verwendeten flüssiges Helium als Medium zum Halten von Elektronen. Dieses Material war leicht fehlerfrei zu machen, aber Vibrationen der flüssigkeitsfreien Oberfläche könnten den Elektronenzustand leicht stören und somit die Leistung des Qubits beeinträchtigen.

Festes Neon bietet ein Material mit wenigen Defekten, das nicht wie flüssiges Helium vibriert. Nach dem Aufbau ihrer Plattform führte das Team Qubit-Operationen in Echtzeit mit Mikrowellenphotonen an einem gefangenen Elektron durch und charakterisierte seine Quanteneigenschaften. Diese Tests zeigten, dass festes Neon eine robuste Umgebung für das Elektron mit sehr geringem elektrischem Rauschen bietet, um es zu stören. Am wichtigsten ist, dass das Qubit Kohärenzzeiten im Quantenzustand erreichte, die mit anderen hochmodernen Qubits konkurrenzfähig sind.

Die Einfachheit der Qubit-Plattform sollte sich auch für eine einfache, kostengünstige Herstellung eignen, sagte Jin.

Das Versprechen von[{” attribute=””>quantum computing lies in the ability of this next-generation technology to calculate certain problems much faster than classical computers. Researchers aim to combine long coherence times with the ability of multiple qubits to link together — known as entanglement. Quantum computers thereby could find the answers to problems that would take a classical computer many years to resolve.

Consider a problem where researchers want to find the lowest energy configuration of a protein made of many amino acids. These amino acids can fold in trillions of ways that no classical computer has the memory to handle. With quantum computing, one can use entangled qubits to create a superposition of all folding configurations — providing the ability to check all possible answers at the same time and solve the problem more efficiently.

“Researchers would just need to do one calculation, instead of trying trillions of possible configurations,” Guo said.

For more on this research, see New Qubit Breakthrough Could Revolutionize Quantum Computing.

Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x

The team published its findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin, Argonne contributors include first author Xianjing Zhou, Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li, and Ralu Divan. Contributors from the University of Chicago were David Schuster and Brennan Dizdar. Other co-authors were Kater Murch of Washington University in St. Louis, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory, and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.

Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research. Guo is supported by the National Science Foundation and the National High Magnetic Field Laboratory.

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