El nou avenç de Qubit podria revolucionar la informàtica quàntica


Plataforma Qubit Single Electron en neó sòlid

Una nova plataforma qubit: els electrons d’un filament de llum escalfat (superior) aterren al neó sòlid (bloc vermell), on un sol electró (representat com a funció d’ona en blau) queda atrapat i manipulat per un circuit quàntic superconductor (xip amb patró inferior) . Crèdit: cortesia de Dafei Jin/Argonne National Laboratory

Una nova plataforma qubit podria transformar la ciència i la tecnologia de la informació quàntica.

Sens dubte, esteu veient aquest article en un dispositiu digital la unitat bàsica d’informació del qual és el bit, ja sigui 0 o 1. Científics d’arreu del món corren per desenvolupar un nou tipus d’ordinador basat en l’ús de bits quàntics, o qubits.

En un article publicat el 4 de maig de 2022 a la revista Naturalesa, un equip liderat pel Laboratori Nacional Argonne del Departament d’Energia (DOE) dels Estats Units ha anunciat la creació d’una nova plataforma qubit formada congelant gas de neó en un sòlid a temperatures molt baixes, ruixant electrons del filament d’una bombeta sobre el sòlid i atrapant-hi un sol electró. Aquest sistema té el potencial de convertir-se en blocs de construcció perfectes per a futurs ordinadors quàntics.

“Sembla que un qubit ideal pot estar a l’horitzó. Gràcies a la relativa simplicitat de la plataforma d’electrons sobre neó, s’hauria de prestar a una fabricació fàcil a baix cost”. — Dafei Jin, científic d’Argonne al Centre de Materials a Nanoescala

Per aconseguir un ordinador quàntic útil, els requisits de qualitat dels qubits són extremadament exigents. Tot i que avui dia hi ha diverses formes de qubits, cap d’elles és òptima.

Què faria un qubit ideal? Té almenys tres qualitats esterlines, segons Dafei Jin, un científic d’Argonne i investigador principal del projecte.

Pot romandre en estat 0 i 1 simultanis (recordeu el gat!) durant molt de temps. Els científics anomenen aquesta llarga “coherència”. Idealment, aquest temps seria al voltant d’un segon, un pas de temps que podem percebre en un rellotge de casa a la nostra vida diària.

En segon lloc, el qubit es pot canviar d’un estat a un altre en poc temps. Idealment, aquest temps seria al voltant d’una mil milions de segon (nanosegon), un pas de temps d’un rellotge d’ordinador clàssic.

En tercer lloc, el qubit es pot enllaçar fàcilment amb molts altres qubits perquè funcionin en paral·lel entre ells. Els científics es refereixen a aquest enllaç com a entrellaçament.

Tot i que actualment els qubits coneguts no són ideals, empreses com IBM, Intel, Google, Honeywell i moltes startups han escollit la seva preferida. Persegueixen de manera agressiva la millora tecnològica i la comercialització.

“El nostre objectiu ambiciós no és competir amb aquestes empreses, sinó descobrir i construir un sistema qubit fonamentalment nou que podria conduir a una plataforma ideal”, va dir Jin.

Tot i que hi ha moltes opcions de tipus de qubit, l’equip va triar el més senzill: un sol electró. Escalfar un filament de llum senzill que podeu trobar a la joguina d’un nen pot disparar fàcilment un subministrament il·limitat d’electrons.

Un dels reptes de qualsevol qubit, inclòs l’electró, és que és molt sensible a les pertorbacions del seu entorn. Així, l’equip va optar per atrapar un electró en una superfície de neó sòlida ultrapura al buit.

El neó és un dels pocs elements inerts que no reaccionen amb altres elements. “A causa d’aquesta inercia, el neó sòlid pot servir com el sòlid més net possible al buit per allotjar i protegir qualsevol qubit de ser interromput”, va dir Jin.

Un component clau de la plataforma qubit de l’equip és un ressonador de microones a escala de xip fet d’un superconductor. (El forn de microones domèstic molt més gran també és un ressonador de microones.) Els superconductors (metalls sense resistència elèctrica) permeten que els electrons i els fotons interactuïn junts a prop de[{” attribute=””>absolute zero with minimal loss of energy or information.

“The microwave resonator crucially provides a way to read out the state of the qubit,” said Kater Murch, physics professor at the Washington University in St. Louis and a senior co-author of the paper. “It concentrates the interaction between the qubit and microwave signal. This allows us to make measurements telling how well the qubit works.”

“With this platform, we achieved, for the first time ever, strong coupling between a single electron in a near-vacuum environment and a single microwave photon in the resonator,” said Xianjing Zhou, a postdoctoral appointee at Argonne and the first author of the paper. “This opens up the possibility to use microwave photons to control each electron qubit and link many of them in a quantum processor,” Zhou added.

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years.” — David Schuster, physics professor at the

“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years,” said David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper. “This is only our first series of experiments. Our qubit platform is nowhere near optimized. We will continue improving the coherence times. And because the operation speed of this qubit platform is extremely fast, only several nanoseconds, the promise to scale it up to many entangled qubits is significant.”

There is yet one more advantage to this remarkable qubit platform.“Thanks to the relative simplicity of the electron-on-neon platform, it should lend itself to easy manufacture at low cost,” Jin said. “It would appear an ideal qubit may be on the horizon.”

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 their findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin and Zhou, Argonne contributors include Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li and Ralu Divan. In addition to David Schuster, the University of Chicago contributors also include Brennan Dizdar. In addition to Kater Murch of Washington University in St. Louis, other researchers include Wei Guo of

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.