เว็บสล็อต , สล็อตแตกง่าย การจับคู่คูเปอร์ช่วยปกป้องคิวบิตจากเสียงรบกวน

เว็บสล็อต , สล็อตแตกง่าย รูปภาพขององค์ประกอบวงจรร่วมอุโมงค์สัญญาณรบกวนจลนศาสตร์ที่ใช้ในการทดลองการป้องกันเสียงรบกวน: ไมโครกราฟเชิงแสงของวงจรที่ใช้ในการทดลอง โดยแสดงอิเล็กโทรดอะลูมิเนียมสีเทาอ่อนและอิเล็กโทรดไนโอเบียมสีเทาเข้ม สิ่งที่ใส่เข้าไปคือการสแกนภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของอาร์เรย์หนึ่งของทางแยกขนาดใหญ่และหนึ่งทางแยกขนาดเล็ก 

ทีมวิจัยที่ Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure (LPENS) 

ในฝรั่งเศสได้พัฒนาวิธีใหม่ในการปกป้องควอนตัมบิต (qubits) ตัวนำยิ่งยวดจากเสียงรบกวน ด้วยองค์ประกอบวงจรตัวนำยิ่งยวดแบบใหม่ที่ “กระจาย” สถานะควอนตัมของ qubit ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทีมงานจึงลดความไวของ qubit ต่อฟลักซ์แม่เหล็กภายนอกลง 10 เท่า การปรับปรุงนี้อาจนำไปสู่การพัฒนาคิวบิตตัวนำยิ่งยวดรุ่นต่อไปที่ มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดน้อยลง

ข้อมูลควอนตัมที่เก็บไว้ใน qubits นั้นเปราะบางต่อเสียงรบกวนจากสภาพแวดล้อมโดยรอบ และยังคงเป็นความท้าทายหลักสำหรับการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ วิธีหนึ่งที่โดดเด่นในการปกป้อง qubits จากสัญญาณรบกวนคือ delocalize ข้อมูลควอนตัมของพวกมัน: เนื่องจากโดยทั่วไปเสียงจะอยู่ในท้องถิ่น ข้อมูลควอนตัมที่เก็บไว้นอกเครื่องจึงมีโอกาสน้อยที่จะถูกทำให้เสีย ตัวอย่างเช่น การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมบางประเภทจะเข้ารหัสข้อมูลในเครือข่ายของ qubits ที่แยกจากกันจำนวนมาก

ที่น่าสนใจคือ วิธีการแยกดินแดนนี้ยังสามารถนำไปใช้กับรูปแบบนามธรรมของพื้นที่ที่เรียกว่าสเปซฮิลแบร์ตของควิบิต ตัวอย่างหนึ่งที่ได้รับความนิยมคือ qubit ทรานสมอนตัวนำยิ่งยวดซึ่งสถานะดังกล่าวแผ่ขยายไปทั่วค่าประจุจำนวนมาก ทำให้เกิดภูมิคุ้มกันต่อเสียงรบกวนจากประจุ

การจับคู่คูเปอร์ สถานะควอนตัมของวงจรตัวนำยิ่งยวดสามารถอธิบายได้ในแง่ของอิเล็กตรอนคู่ที่เรียกว่าคูเปอร์คู่ (ตัวพาประจุหลักในตัวนำยิ่งยวด) หรือเฟสตัวนำยิ่งยวด (ในทางเทคนิค เฟสของพารามิเตอร์ลำดับตัวนำยิ่งยวดที่ซับซ้อน) เมื่อคูเปอร์แต่ละอุโมงค์จับคู่อุโมงค์ข้ามทางแยกที่เรียกว่าโจเซฟสัน ซึ่งโดยทั่วไปประกอบด้วยตัวนำยิ่งยวดสองตัวประกบฉนวนบาง ๆ 

กระแสไฟที่ไหลผ่านทางแยกนั้นขึ้นอยู่กับเฟสของตัวนำ

ยิ่งยวดที่ไม่เป็นเชิงเส้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์โจเซฟสันเป็นองค์ประกอบสำคัญในคิวบิตตัวนำยิ่งยวดเกือบทั้งหมด

นักวิจัยของ LPENSได้ออกแบบ qubit ตัวนำยิ่งยวดแบบใหม่ซึ่งสถานะควอนตัมจะถูกแยกส่วนออกจากค่าต่างๆ ของเฟสตัวนำยิ่งยวด พวกเขาประสบความสำเร็จด้วยการสร้างชุมทางโจเซฟสันเวอร์ชันทั่วไปซึ่งมีคูเปอร์คู่สองอุโมงค์ผ่านทางแยกพร้อมกัน นั่นคือการจับคู่คูเปอร์

แผนภาพวงจรสำหรับ qubit ตัวนำยิ่งยวดใหม่

การวนซ้ำที่ขัดจังหวะ: แผนภาพวงจรไฟฟ้าแบบขยายสำหรับองค์ประกอบร่วมอุโมงค์สัญญาณรบกวนทางจลนศาสตร์ (ได้รับความอนุเคราะห์: WC Smith et al., “การขยายความผันผวนของควอนตัมเฟสด้วยการจับคู่คูเปอร์”, Phys Rev X 12 021002, https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.021002)

ชุมทางใหม่เกิดขึ้นได้ในวงจรตัวนำยิ่งยวดซึ่งถูกขัดจังหวะโดยทางแยกโจเซฟสันสองทางและตัวนำยิ่งยวด 2 ตัว ซึ่งเป็นตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ที่มีความจุประกอบน้อย การจัดเตรียมนี้ซึ่งทีมเรียกขานว่าองค์ประกอบอุโมงค์ร่วมการรบกวนทางจลนศาสตร์ (KITE) ได้รับแรงบันดาลใจจากข้อเสนออายุ 20 ปีที่แนะนำให้สังเกตเอฟเฟกต์การจับคู่คูเปอร์ในวงจรตัวนำยิ่งยวดของสี่แยกโจเซฟสัน “ความแตกต่างคือ KITE ทำการแลกเปลี่ยนสองทางแยกเหล่านี้สำหรับตัวนำยิ่งยวด ซึ่งให้ความยืดหยุ่นที่ดีกว่าในการชดเชยเสียงรบกวนจากประจุและคุณสมบัติที่พึงประสงค์อื่น ๆ” คลาร์กสมิ ธผู้เขียนนำของ กระดาษ Physical Review Xที่อธิบายการวิจัยกล่าว

ทีมงานควบคุมวง KITE อย่างระมัดระวังโดยใช้การรบกวน

แบบทำลายล้างเพื่อระงับการขุดอุโมงค์ของคูเปอร์คู่เดียวเหนือทางแยกทั้งสองของโจเซฟสัน อนุญาตให้ใช้อุโมงค์ร่วมของคูเปอร์สองคู่ครองได้ สิ่งนี้ขยายความผันผวนของเฟสตัวนำยิ่งยวดมากกว่าสองเท่า – การเพิ่มขึ้นอย่างมากในการแพร่กระจายของสถานะ qubit จากนั้นทีมงานได้สังเกตการทดลองลดความไวของ qubit ต่อฟลักซ์แม่เหล็กภายนอก 10 เท่า ทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นต่อสัญญาณรบกวนฟลักซ์

สู่ qubits ตัวนำยิ่งยวดที่ได้รับการป้องกัน นักวิจัยกล่าวว่าชุมทางโจเซฟสันโดยทั่วไปของพวกเขาเป็นองค์ประกอบวงจรที่สำคัญในการสร้างคิวบิตตัวนำยิ่งยวดที่มีความยืดหยุ่นภายในต่อเสียงรบกวน การรวมจุดเชื่อมต่อดังกล่าวกับองค์ประกอบอื่นที่เรียกว่าquantum phase-slipอาจเป็นไปได้ที่จะนำ qubit Gottesman-Kitaev-Preskill ที่เรียกว่าGottesman-Kitaev-Preskillโดยที่สถานะ qubit จะถูกแยกออกจากพื้นที่ทั้งประจุและช่องว่างของเฟส เสียงรบกวน. ตามสมิ ธ โครงการติดตามผลหนึ่งโครงการคือการพัฒนาทางแยกควอนตัมเฟสสลิปที่มีประสิทธิภาพและสร้าง qubits ที่ได้รับการปกป้องจากภายในจากเสียงโดยไม่ต้องใช้การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม qubits ดังกล่าวจะช่วยลดความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์ที่จำเป็นในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนต่อข้อผิดพลาดได้อย่างมาก

กระแสน้ำวนที่พันกัน

กระบวนการนี้สามารถกระตุ้นได้โดยกระแสน้ำวนเชิงปริมาณที่ก่อตัวรอบ ๆ อุปสรรคต่อการไหลของของเหลวยิ่งยวด ในฮีเลียม-3 เหลว กระแสน้ำวนเหล่านี้สามารถดำรงอยู่ได้จากการพันกันของสายอย่างไม่เป็นระเบียบซึ่งมีความหนาเพียงสิบนาโนเมตร และสามารถเปลี่ยนช่วงของอนุภาคควอซิเพิลที่ต้องห้ามในของเหลวได้ในปริมาณหนึ่ง ซึ่งแตกต่างกันไปตามระยะห่างจากกระแสน้ำวน

มีการใช้เทคนิคต่างๆ เพื่อตรวจสอบโครงสร้างเหล่านี้ รวมถึงการวัดสนามแม่เหล็กรอบนิวเคลียสฮีเลียม-3 และการส่งคลื่นเสียงผ่านของเหลว จนถึงตอนนี้ นักฟิสิกส์ได้พยายามสร้างภาพความพันกันเหล่านี้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้เทคนิคการบุกรุก เช่น อนุภาคของตัวติดตามเทียม

ทีมแลงคาสเตอร์ใช้กล่องปิดบางส่วนภายในซุปเปอร์ฟลูอิดเพื่อสร้างอนุภาคควอซิพิเคิลโดยใช้ลวดโค้งแบบสั่น ควอซิอนุภาคบางตัวสามารถเคลื่อนเข้าไปในซุปเปอร์ฟลูอิดที่เหลือผ่านรูเล็กๆ ในกล่อง ทำให้เกิดลำของควอซิพิเคิลได้ เมื่อออกจากกล่อง ลำแสงจะพบกับลวดสั่นอีกเส้นที่สร้าง “กระแสน้ำวนที่ยุ่งเหยิง” ควอซิอนุภาคที่ผ่านสิ่งที่พันกันนั้นจะถูกตรวจจับโดยใช้เรโซเนเตอร์ของส้อมเสียงควอทซ์ขนาด 5×5 เว็บสล็อต , สล็อตแตกง่าย