Ученые только что измерили механическую квантовую систему, не разрушив ее
Есть ключевой аспект квантовых вычислений, о котором вы, возможно, раньше не задумывались. Называемые «квантовыми неразрушающими измерениями», они относятся к наблюдению за определенными квантовыми состояниями без их разрушения в процессе.
Если мы хотим собрать функционирующий квантовый компьютер, чтобы он не ломался каждую секунду во время работы. расчеты были бы, очевидно, полезными. Теперь ученые описали новую многообещающую технику записи квантовых измерений без разрушения.
В данном случае в исследовании участвовали механические квантовые системы — объекты, которые относительно велики с точки зрения квантовых вычислений. но чрезвычайно мал для нас. Они используют механическое движение (например, вибрацию) для управления необходимой квантовой магией, и их также можно комбинировать с другими квантовыми системами.
«Наши результаты открывают дверь для выполнения еще более сложных квантовых алгоритмов с использованием механических систем. , такие как квантовая коррекция ошибок и многомодовые операции», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.
Для целей этого исследования команда собрала тонкую полоску высококачественного сапфира, чуть менее половины толщиной в миллиметр. Тонкий пьезоэлектрический преобразователь использовался для возбуждения акустических волн, движущихся единиц энергии, таких как фононы, которые теоретически могут быть подвергнуты квантовым вычислительным процессам. Технически это устройство известно как акустический резонатор.
Это была первая часть установки. Для измерения акустический резонатор соединили со сверхпроводящим кубитом – теми базовыми строительными блоками квантового компьютера, которые могут одновременно содержать значения 1 и 0, и на основе которых такие компании, как Google и IBM, уже построили простейшие квантовые компьютеры.
Гибридное устройство команды с чипом акустического резонатора поверх чипа сверхпроводящего кубита. (von Lüpke et al., Nat Phys, 2022)
Поставив статус сверхпроводящего кубита в зависимость от количества фононов в акустическом резонаторе, ученые смогли прочитать это количество фононов, фактически не взаимодействующих с ними и не передающих никакой энергии.
Они описывают это как игру на терменвоксе, странном музыкальном инструменте, к которому не нужно прикасаться, чтобы воспроизвести звук.
Создание эквивалента квантовых вычислений было непростой задачей: квантовые состояния обычно очень недолговечны, и частью новшества в этой технике стало то, что эти состояния растягивались на более продолжительное время. Команда сделала это частично за счет выбора материалов и частично за счет сверхпроводящего алюминиевого резонатора, который обеспечивал электромагнитное экранирование.
В дальнейших экспериментах им удалось извлечь так называемую «меру четности» механической квантовой системы. .
Мера четности имеет решающее значение для различных квантовых технологий, особенно когда речь идет об исправлении ошибок в системах, и ни один компьютер не может работать должным образом, если он регулярно делает ошибки.
» Соединяя механические резонаторы со сверхпроводящими цепями, квантовая акустодинамика цепей может сделать доступным множество важных инструментов для управления и измерения движущихся квантовых состояний», — пишут исследователи.
Все это очень высокоуровнево с точки зрения квантовой физики. физики, но суть в том, что это важный шаг вперед в одной из технологий, которые в конечном итоге могут стать основой для будущих квантовых компьютеров, особенно с точки зрения объединения различных типов систем. мс вместе.
Гибридное устройство кубит-резонатор, подобное описанному в этом исследовании, потенциально предлагает лучшее из двух разных областей исследований: вычислительные возможности сверхпроводящих кубитов и стабильность механических систем. Теперь ученые показали, что информацию можно извлечь из такого устройства неразрушающим способом.
Необходимо проделать еще много работы — после того, как задача измерения состояний будет уточнена и завершена, эти состояния затем чтобы их можно было эксплуатировать и манипулировать, чтобы получить реальную пользу, но огромный потенциал систем квантовых вычислений может стать еще на один шаг ближе.
«Здесь мы демонстрируем прямые измерения распределения числа фононов и четности не -классические механические состояния», — пишут исследователи.
«Эти измерения являются одними из основных строительных блоков для создания акустических квантовых запоминающих устройств и процессоров».
Исследование опубликовано в журнале Nature. Физика.
Примечание редактора (18 мая 2022 г.): В предыдущей версии этой статьи вместо фононов упоминались фотоны. Ошибка исправлена.
