«Мы работаем над разработкой квантового компьютера, в котором в качестве кубитов используется трехмерный массив из охлаждаемых лазером и захваченных атомов цезия», – сказал Дэвид Вайс, профессор физики Пенсильванского университета и руководитель исследовательской группы. «Из-за того, как работает квантовая механика, атомные кубиты могут существовать в« суперпозиции »двух состояний, что означает, что они могут быть, в некотором смысле, в обоих состояниях одновременно. Чтобы считать результат квантового вычисления, необходимо провести измерение на каждом атоме.
Каждое измерение обнаруживает, что каждый атом находится только в одном из двух возможных состояний. Относительная вероятность двух результатов зависит от состояния суперпозиции перед измерением."
Чтобы измерить состояния кубита, команда сначала использует лазеры для охлаждения и захвата около 160 атомов в трехмерной решетке с осями X, Y и Z. Первоначально лазеры захватывают все атомы одинаково, независимо от их квантового состояния.
Затем исследователи вращают поляризацию одного из лазерных лучей, который создает решетку X, которая пространственно сдвигает атомы в одном состоянии кубита влево, а атомы в состоянии другого кубита вправо. Если атом начинается в суперпозиции двух состояний кубита, он заканчивается суперпозицией, состоящей из перемещения влево и перемещения вправо.
Затем они переключаются на решетку X с меньшим шагом решетки, которая плотно захватывает атомы в их новой суперпозиции смещенных позиций. Когда свет затем рассеивается от каждого атома, чтобы наблюдать, где он находится, каждый атом оказывается либо сдвинутым влево, либо вправо, с вероятностью, которая зависит от его начального состояния. Измерение положения каждого атома эквивалентно измерению начального состояния кубита каждого атома.
«Отображение внутренних состояний на пространственные местоположения имеет большое значение для того, чтобы сделать это идеальным измерением», – сказал Вайс. «Еще одно преимущество нашего подхода заключается в том, что измерения не вызывают потери каких-либо атомов, которые мы измеряем, что является ограничивающим фактором во многих предыдущих методах."
Команда определила точность своего нового метода, загрузив их решетки атомами в одном или другом состояниях кубита и выполнив измерения. Они смогли точно измерить состояния атомов с точностью 0.9994, что означает, что в 10 000 измерений было всего шесть ошибок, что в двадцать раз больше по сравнению с предыдущими методами. Кроме того, на частоту ошибок не влияло количество кубитов, которые команда измеряла в каждом эксперименте, и поскольку не было потерь атомов, атомы можно было повторно использовать в квантовом компьютере для выполнения следующих вычислений.
«Наш метод похож на эксперимент Штерна-Герлаха 1922 года – эксперимент, который является неотъемлемой частью истории квантовой физики», – сказал Вайс. "В эксперименте пучок атомов серебра пропускался через градиент магнитного поля, причем их северные полюса были выровнены перпендикулярно градиенту.
Когда Стерн и Герлах увидели, что половина атомов отклоняется вверх, а половина вниз, это подтвердило идею квантовой суперпозиции, одного из определяющих аспектов квантовой механики. В нашем эксперименте мы также отображаем внутренние квантовые состояния атомов на позиции, но мы можем сделать это на атомной основе.
Конечно, нам не нужно проверять этот аспект квантовой механики, мы можем просто использовать его."
Помимо Вайса, в исследовательскую группу Penn State входят Цунг-Яо Ву, Айшвария Кумар и Фелипе Хиральдо. Исследование поддержано U.S.
Национальный научный фонд.