Defying Quantum Dogma: The Surprising Success of Dense Solid-State Qubits
Eine bahnbrechende Studie hat gezeigt, dass Qubits, die grundlegenden Einheiten von Quantencomputern, auch in dichten Umgebungen eine lange Lebensdauer erreichen können. Dies widerspricht der früheren Annahme, dass Qubits in ultra-reinen Materialien isoliert sein müssen. Stattdessen bilden seltene Erdionenpaare hochkohärente Qubits.
Festkörper-Qubits: Vergiss Sauberkeit, schaffe Unordnung
Neue Erkenntnisse widerlegen die bisherige Weisheit, dass Festkörper-Qubits super verdünnt in einem ultra-sauberen Material sein müssen, um eine lange Lebensdauer zu erreichen. Stattdessen können durch das Einbringen vieler Seltenerdionen in einen Kristall einige Paare entstehen, die als hochkohärente Qubits wirken, wie in einem Artikel in Nature Physics gezeigt wird.
Saubere Linien und Minimalismus oder Vintage Shabby Chic? Es stellt sich heraus, dass die Trends, die die Welt des Innendesigns beschäftigen, auch bei der Gestaltung der Bausteine von Quantencomputern wichtig sind.
Wie man Qubits herstellt, die ihre Quanteninformation lange genug behalten, um nützlich zu sein, ist eine der Hauptbarrieren für praktische Quantencomputing. Es ist allgemein anerkannt, dass Sauberkeit der Schlüssel zu Qubits mit langer Lebensdauer oder 'Kohärenz' ist. Qubits verlieren Quanteninformationen durch einen Prozess namens Dekohärenz, wenn sie mit ihrer Umgebung interagieren. Also, wie die herkömmliche Weisheit besagt, halte sie voneinander und von anderen störenden Einflüssen fern, und hoffentlich überleben sie ein wenig länger.
Die Schätze aus dem Müll hervorholen
Die Forscher erstellten Festkörper-Qubits aus dem Seltenerdmetall Terbium, das in Kristallen aus Yttrium-Lithium-Fluorid dotiert wurde. Sie zeigten, dass in einem mit Seltenerdionen gefüllten Kristall Qubit-Schätze mit viel längeren Kohärenzen vorhanden waren, als in einem solch dichten System typischerweise zu erwarten wäre.
"Für eine gegebene Dichte von Qubits zeigen wir, dass es eine viel effektivere Strategie ist, Seltenerdionen in den Kristall zu werfen und die Schätze aus dem Müll zu nehmen, anstatt zu versuchen, die einzelnen Ionen durch Verdünnung voneinander zu trennen," erklärt Markus Müller, dessen theoretische Erklärungen entscheidend waren, um die verwirrenden Beobachtungen zu verstehen.
Wie klassische Bits, bei denen 0 oder 1 zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen verwendet werden, verwenden auch Qubits Systeme, die in zwei Zuständen existieren können, wenn auch mit der Möglichkeit von Superpositionen. Wenn Qubits aus Seltenerdionen hergestellt werden, wird in der Regel eine Eigenschaft der einzelnen Ionen - wie der Kernspin, der nach oben oder unten zeigen kann - als dieses Zweizustandssystem verwendet.
Das Paaren bietet Schutz
Der Grund, warum das Team mit einem radikal anderen Ansatz so erfolgreich sein konnte, liegt darin, dass ihre Qubits nicht aus einzelnen Ionen bestehen, sondern aus stark wechselwirkenden Ionenpaaren. Anstatt den Kernspin einzelner Ionen zu verwenden, bilden die Paare Qubits auf der Basis von Superpositionen unterschiedlicher Elektronenschalenzustände.
Innerhalb der Matrix des Kristalls bilden nur wenige der Terbiumionen Paare. "Wenn man viel Terbium in den Kristall wirft, gibt es zufällig Ionenpaare - unsere Qubits. Diese sind relativ selten, daher sind die Qubits selbst ziemlich verdünnt," erklärt Adrian Beckert, Hauptautor der Studie.
Warum werden diese Qubits also nicht von ihrer chaotischen Umgebung gestört? Es stellt sich heraus, dass diese Schätze aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften vor dem Müll geschützt sind. Da sie bei einer anderen charakteristischen Energie arbeiten, können sie keine Energie mit den einzelnen Terbiumionen austauschen - sie sind ihnen gegenüber praktisch immun.
