Qubit được điều chỉnh: Một nền tảng mới mạnh mẽ cho các thiết bị lượng tử có thể tùy chỉnh

Một cách tiếp cận cơ bản đối với thiết kế qubit dẫn đến một khuôn khổ mới để tạo ra các thiết bị lượng tử đa năng, được thiết kế phù hợp.

Những tiến bộ trong khoa học lượng tử có tiềm năng cách mạng hóa cách chúng ta sống. Máy tính lượng tử hứa hẹn giải quyết các vấn đề khó giải quyết ngày nay và một ngày nào đó chúng ta có thể sử dụng mạng lượng tử làm đường cao tốc thông tin chống hacker.

Việc hiện thực hóa các công nghệ hướng tới tương lai này phần lớn phụ thuộc vào qubit – thành phần cơ bản của các hệ lượng tử. Một thách thức lớn của nghiên cứu qubit là thiết kế chúng để có thể tùy chỉnh, được điều chỉnh để hoạt động với tất cả các loại thiết bị cảm biến, liên lạc và tính toán.

Các nhà khoa học đã thực hiện một bước quan trọng trong việc phát triển các qubit được thiết kế riêng. Trong một bài báo được xuất bản trongTạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, nhóm, bao gồm các nhà nghiên cứu tạiVỚI, cácĐại học Chicago, vàĐại học Columbia, chứng minh cách một họ phân tử cụ thể của qubit có thể được tinh chỉnh trên một phổ rộng, giống như quay một mặt số nhạy trên một đài phát băng rộng.

Nhóm cũng phác thảo các tính năng thiết kế cơ bản cho phép kiểm soát tinh vi các bit lượng tử này.

“Đây là một nền tảng mới cho thiết kế qubit. Chúng tôi có thể sử dụng chiến lược thiết kế có thể dự đoán được, có thể kiểm soát và điều chỉnh được của mình để tạo ra một hệ lượng tử mới ”, Danna Freedman, giáo sư hóa học của MIT và là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. “Chúng tôi đã chứng minh khả năng điều chỉnh phạm vi rộng mà các nguyên tắc thiết kế này hoạt động.”

Công trình được hỗ trợ một phần bởi Q-NEXT, Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thông tin Lượng tử Quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) do Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đứng đầu.

Công trình của các nhà nghiên cứu tập trung vào một nhóm phân tử cụ thể: những phân tử có nguyên tử crôm trung tâm được bao quanh bởi bốn phân tử hydrocacbon để tạo thành một cấu trúc giống như kim tự tháp.

Ưu điểm của qubit phân tử

Qubit là tương đương lượng tử của bit tính toán truyền thống. Về mặt vật lý, nó có thể có bất kỳ dạng nào trong số một số dạng, chẳng hạn như một nguyên tử được chuẩn bị đặc biệt bên trong một tinh thể hoặc một mạch điện. Nó cũng có thể là một phân tử được tạo ra trong phòng thí nghiệm.

Một ưu điểm của qubit phân tử là, giống như một thiết bị in 3D nhỏ bé, nó có thể được thiết kế từ dưới lên, cho phép nhà khoa học tự do điều chỉnh qubit cho các chức năng khác nhau.

“Chúng tôi đang làm việc để thay đổi cấu trúc nguyên tử thông qua hóa học tổng hợp và sau đó tìm hiểu cách những thay đổi đó điều chỉnh tính chất vật lý của qubit,” Leah Weiss, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của Đại học Chicago và đồng tác giả nghiên cứu cho biết.

Thông tin của qubit phân tử được lưu trữ trong spin của nó, một thuộc tính của vật liệu cấp nguyên tử. Các nhà khoa học thiết kế spin bằng cách điều chỉnh – điều chỉnh – sự sắp xếp của các electron của phân tử, cấu trúc điện tử của nó. Thông tin đi vào qubit dưới dạng các hạt ánh sáng, hoặc photon, và được mã hóa trong spin của qubit. Sau đó, thông tin được mã hóa spin lại được dịch lại thành các photon, để được đọc ra.

Các bước sóng photon khác nhau phù hợp hơn cho các ứng dụng khác nhau. Một bước sóng có thể hoạt động tốt hơn cho các ứng dụng cảm biến sinh học, một bước sóng khác cho giao tiếp lượng tử.

Phối tử là thứ

Một trong những điểm điều chỉnh quan trọng của phân tử qubit là cường độ trường phối tử, cường độ của các liên kết nối nguyên tử kim loại trung tâm với các hydrocacbon xung quanh.

“Về cơ bản phối tử là tất cả mọi thứ. Chúng tôi có thể chủ ý kiểm soát cách mà môi trường phối tử ảnh hưởng đến spin và kiểm soát hợp lý nơi các photon phát ra kết thúc, ”Dan Laorenza, nghiên cứu sinh MIT và là tác giả chính của bài báo cho biết.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng họ có thể thực hiện điều chỉnh đáng kể các liên kết này. Không chỉ vậy, họ còn chỉ ra rằng cường độ trường của phối tử có thể điều chỉnh trên một phổ tương đối rộng, trong khi các mô phỏng tính toán do các nhà nghiên cứu tại Columbia thực hiện đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ lượng tử về vai trò của phối tử trong việc kiểm soát các đặc tính điện tử của phân tử.

Ánh sáng phát ra từ qubit crom của chúng kéo dài đến 100 nanomet ấn tượng.

Freedman cho biết: “Đây là một phạm vi chưa từng có về khả năng điều chỉnh đối với các qubit nhắm mục tiêu đến các ứng dụng của nhà thiết kế.

“Chỉ bằng cách giữ nguyên ion kim loại trung tâm, vốn đang thực hiện công việc khó khăn của quá trình xử lý thông tin lượng tử, nhưng điều chỉnh môi trường xung quanh thông qua các phối tử, bạn có thể thử nghiệm các thuộc tính này,” Sam Bayliss của Đại học Glasgow , người đồng tác giả của nghiên cứu khi là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Chicago. “Điều đó rất khó thực hiện với các hệ thống khác, như hệ thống trạng thái rắn, nơi về cơ bản bạn cố định ở bất cứ thứ gì thuộc tính nguyên tố mang lại cho bạn.”

Một qubit ở trạng thái rắn được tạo ra bằng cách lấy ra một chút nhỏ vật chất có kích thước nguyên tử từ một tinh thể, và kết quả là khoảng trống là nơi thông tin lượng tử được lưu trữ và xử lý. Ví dụ, mặc dù chúng có những ưu điểm, nhưng các qubit ở trạng thái rắn không thể được điều chỉnh với cùng một độ chính xác hóa học.

“Với những thứ đó, một cách hiệu quả, bạn không cần phải điều chỉnh,” Freedman nói. “Bạn đang thực sự đi từ 0 đến 100 ở đó.”

Đặt ra các quy tắc thiết kế

Tiếp cận thiết kế của phân tử bằng cách tập trung vào cấu trúc điện tử của nó – mức năng lượng của phân tử – thay vì cấu trúc vật lý của nó là chìa khóa cho khám phá của nhóm.

“Bỏ cấu trúc vật lý ra ngoài cửa sổ và tập trung hoàn toàn vào cấu trúc điện tử, thứ có thể đạt được trên nhiều nền tảng phân tử, thực sự là chi tiết sáng tạo quan trọng,” Freedman nói.

Các nhà nghiên cứu đưa ra các tiêu chí thiết kế để xây dựng các phân tử tương tự trong bài báo của họ, đặt cơ sở cho việc tạo ra các qubit phân tử có thể điều chỉnh mới có thể được thiết kế cho một ứng dụng trong tương lai.

Arailym Kairalapova, một trong những nhà nghiên cứu Columbia thực hiện các phép tính cho biết: “Sau khi chứng minh được độ chính xác của các phương pháp tính toán của chúng tôi trên các qubit crom này, giờ đây chúng tôi có thể sử dụng các phương pháp tương tự để đơn giản hóa quá trình sàng lọc.

Weiss cho biết: “Bằng cách kết hợp các công cụ hóa học và vật lý lại với nhau, chúng ta có thể bắt đầu hiểu các quy tắc thiết kế sẽ hướng dẫn sự cải tiến liên tục của loại qubit này.

Người ta có thể thiết kế các qubit tùy chỉnh để gắn vào một hệ thống sinh học và sử dụng chúng cho cảm biến sinh học lượng tử. Hoặc các nhà nghiên cứu có thể kiến trúc một qubit có thể hòa tan trong nước để nó có thể phát hiện các tín hiệu trong môi trường nước.

“Một trong những điều tuyệt vời về nền tảng này là, nếu phân tử không phát ra ở một bước sóng nhất định, chúng tôi sẽ dễ dàng quay lại phòng thí nghiệm, tạo ra một vật liệu mới với chi phí thấp và xem cái nào mang lại cho chúng tôi tính năng thích hợp mà chúng tôi muốn, ”Laorenza nói. “Chúng tôi có thể làm điều này trong vài ngày tới. Nó không phải là thứ cần một số lượng chế tạo thực sự dữ dội và cao độ. “

Nhóm nghiên cứu cho rằng thành công của nó cũng nhờ vào những đổi mới trong các nghiên cứu về tương tác vật chất ánh sáng.

Bayliss nói: “Vài năm trước, đây chỉ là một giấc mơ – một tập hợp các hệ thống phân tử trở thành một nền tảng mới cho khoa học thông tin lượng tử. “Nhìn thấy chúng tôi đang ở đâu thực sự rất thú vị.”

Nhóm nghiên cứu có kế hoạch khám phá các môi trường phối tử khác nhau để mở rộng phạm vi phát xạ photon.

Laorenza cho biết: “Đây hiện là một điểm khởi đầu mà chúng tôi hy vọng sẽ cho phép nhiều nhà hóa học hơn được mời vào không gian này, mở ra công việc cho một phạm vi rộng lớn hơn của các nhà hóa học, những người có thể đóng góp khá nhiều cho khoa học thông tin lượng tử”.

Tham khảo: “Trung tâm màu phân tử Cr ⁴⁺ có thể điều chỉnh được” của Daniel W. Laorenza, Arailym Kairalapova, Sam L. Bayliss, Tamar Goldzak, Samuel M. Greene, Leah R. Weiss, Pratiti Deb, Peter J. Mintun, Kelsey A. Collins , David D. Awschalom, Timothy C. Berkelbach và Danna E. Freedman, ngày 24 tháng 11 năm 2021, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ .
DOI: 10.1021 / jacs.1c10145

Công việc này được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học Năng lượng Hoa Kỳ Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thông tin Lượng tử Quốc gia.

Giới thiệu về Q-NEXT

Q-NEXT, Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thông tin Lượng tử Quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) do Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đứng đầu, tập hợp khoảng 100 nhà nghiên cứu đẳng cấp thế giới từ các phòng thí nghiệm quốc gia, các trường đại học và các công ty công nghệ hàng đầu của Hoa Kỳ nhằm phát triển khoa học và công nghệ để kiểm soát và phân phối thông tin lượng tử. Các cộng tác viên và tổ chức của Q-NEXT sẽ tạo ra hai cơ sở quốc gia về vật liệu và thiết bị lượng tử, phát triển mạng lưới cảm biến và hệ thống thông tin liên lạc an toàn, thiết lập mô phỏng và thử nghiệm mạng, đồng thời đào tạo lực lượng lao động sẵn sàng cho lượng tử thế hệ tiếp theo để đảm bảo tiếp tục dẫn đầu về kinh tế và khoa học của Hoa Kỳ trong lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng này.

Theo Scitechdaily