Eine neue Form der Qubit-Steuerung kann die Stabilität eines Quantencomputers erhöhen

Die Heisenberg-Grenze kann nicht überwunden werden, aber wenn Sie sie sorgfältig berechnen, können Sie sich ihr nähern

Quantencomputer basieren auf der Steuerung von Quantenzuständen. In letzter Zeit sind immer mehr Nachrichten darüber erschienen, wie Quantencomputer etwas berechnen, und die Fähigkeit, solche Computer zu steuern, wird als selbstverständlich angesehen. In Wirklichkeit dient diese Steuerung jedoch immer noch als begrenzender Faktor für die Entwicklung von Quantencomputern.

Im Zentrum dieses ganzen Themas stehen Qubits , Quantenobjekte, die zum Codieren von Informationen verwendet werden. Ein Teil der Fähigkeiten eines Quantencomputers beruht auf der Tatsache, dass ein Qubit in einen Überlagerungszustand übertragen werden kann, der die Organisation paralleler Berechnungen ermöglicht. Das Ziel von Quantenalgorithmen ist es, die Zustände einer Überlagerung von Qubits so zu manipulieren, dass beim Messen eines Qubits ein Binärwert zurückgegeben wird, der der richtigen Antwort entspricht.

Dies bedeutet die Überwachung des Überlagerungszustands, an dem hochpräzise und sehr teure Geräte beteiligt sind. Verbesserungen bestehen normalerweise darin, dass Geräte billiger werden. Eine neue Studie legt jedoch nahe, dass wir die Kontrolle mit vorhandenen Geräten und ausgeklügelten Tricks um den Faktor 1000 verbessern können.

Um das Problem der Kontrolle zu verstehen, müssen Sie ein wenig über Überlagerung verstehen. Wenn wir die Zustände der Quantenüberlagerung beschreiben, verwenden wir normalerweise einige Konventionen und sagen etwas wie: "Dies bedeutet, dass sich das Teilchen gleichzeitig in zwei Zuständen befindet."

Für unsere Zwecke reicht dies jedoch nicht aus, und es scheint mir auf jeden Fall verwirrend. Ein Quantenobjekt hat mehrere messbare Eigenschaften. Und während diese Eigenschaft, zum Beispiel die Position, nicht gemessen wird, hat sie keinen Wert. Wir müssen in Wahrscheinlichkeiten denken: Wenn wir messen würden, wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, einen bestimmten Wert zu erhalten?

Das ist im Allgemeinen. Insbesondere wird das äußerst ungewöhnliche Konzept der „Wellenfunktion“ offenbart, es ist auch die „Wahrscheinlichkeitsamplitude“. Die Wahrscheinlichkeit ist immer positiv oder null und real, aber die Amplitude kann positiv, negativ oder sogar komplex sein. Und das ändert alles.

Angenommen, wir haben ein separates Partikel und schießen es mit zwei Schlitzen auf den Bildschirm. Ein Partikel kann durch einen der Schlitze gelangen oder den Bildschirm betreten. Auf der anderen Seite des Bildschirms positionieren wir den Detektor und stellen uns die Frage: "Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, ein Partikel zu erkennen?"

Dazu müssen wir die Wellenfunktionen jedes Pfades hinzufügen, den ein Partikel zum Detektor zurücklegen kann. Die Amplituden können positiv oder negativ sein, daher ist ihre Summe nicht immer größer. Es kann sogar Null werden.

Wenn wir für viele verschiedene mögliche Positionen des Detektors berechnen, finden wir viele Stellen, an denen die Wahrscheinlichkeit Null ist, und viele Stellen mit gleicher Wahrscheinlichkeit. Wenn Sie ein solches Experiment durchführen, werden Sie dies messen. Nachdem tausend separate Partikel durch die Risse gelangt sind, öffnen sich Stellen, an denen sie nie gefunden wurden, und Stellen, an denen sie regelmäßig gefunden wurden.

Wohin führe ich? In der Quantenmechanik ist es zur genauen Vorhersage der Ergebnisse erforderlich, alle möglichen Wege zu kennen, auf denen ein Teilchen einen bestimmten Ort erreichen kann. In unserem Beispiel müssen wir also beide Wege zu unserem Detektor berücksichtigen. Aus diesem Grund wird häufig gesagt, dass ein Partikel gleichzeitig durch beide Schlitze läuft.

Das Hinzufügen von Wellenfunktionen bestimmt jedoch, wo ein Partikel erkannt werden kann und wo Sie es nicht finden können. Wenn Sie also einen der Pfade ändern, die ein Partikel durchlaufen kann, ändern Sie die Amplituden und damit die Stellen, an denen das Partikel erkannt werden kann.

Überlagerung verwenden

Die Wahrscheinlichkeit, den Wert zu messen, hängt also von der Geschichte der Wahrscheinlichkeitswelle ab. Dies beinhaltet alle möglichen Pfade. Und es kann in einen wunderbaren Sensor verwandelt werden. Und wir verwenden diese Schaltung wirklich, um den Zeitverlauf mit extremer Empfindlichkeit zu messen. Es eignet sich auch gut zum Messen anderer Eigenschaften.

Ein häufiges Beispiel ist ein Magnetfeldsensor. Ein Elektron kann als winziger Magnet betrachtet werden. Ein Elektronenmagnet richtet sich in einem Magnetfeld entweder in Richtung der Linien oder gegen diese aus. Daher können wir das Elektron in einen Überlagerungszustand bringen, in dem es entlang und gegen die Linien ausgerichtet ist. Das Magnetfeld ändert die Wellenfunktion zweier Zustände, und die Stärke der Änderungen hängt von der Stärke des Magnetfelds ab.

Nach dem Durchgang durch ein Magnetfeld messen wir die Ausrichtung des Elektronenmagneten. Die einzige Messung sagt nichts aus, aber nach tausend Elektronen haben wir relative Wahrscheinlichkeiten für die beiden Orientierungen. Darauf basierend können wir die Stärke des Magnetfeldes berechnen.

Im Prinzip kann ein sehr genauer Sensor auf diese Weise arbeiten. Nur eines stört: Lärm. Die Bedeutung der Wellenfunktionen hängt von dem Pfad ab, den sie wählen (aber nicht unbedingt von der Entfernung, die sie zurücklegen). Dieser Pfad ändert sich unvorhersehbar unter dem Einfluss der lokalen Umgebung, sodass jedes Elektron tatsächlich ein Maß für den Einfluss des Magnetfelds ist, das uns interessiert, plus den Beitrag von Rauschen. Und dieser Beitrag ist für jedes Elektron unterschiedlich. Wenn das Rauschen ziemlich stark ist, gleicht sich alles aus und die beiden Messergebnisse haben die gleichen Wahrscheinlichkeiten.

Lärm kann nicht reduziert werden. Um eine gute Messung zu erhalten, ist es daher erforderlich, das Elektron weniger empfindlich gegenüber zufälligen Schwankungen und empfindlicher gegenüber dem Signal zu machen.

Erhöhen Sie die Empfindlichkeit

Bei der Messung zeitabhängiger Signale müssen Sie das Elektron regelmäßig sehr hart treten. Ohne Tritte oder Rauschen ändert sich die Wahrscheinlichkeit für ein Elektron mit der Zeit reibungslos. Rauschen fügt diesen Änderungen Sprünge hinzu. Es sieht so aus, als würde die Welle in der Zeit, die Sie nicht bemerken, vorwärts oder rückwärts springen.

Wir brauchen aber keine kleinen Sprünge, sie stören das Signal. Stattdessen müssen Sie das Elektron mit einem Quanten-Baseballschläger treffen, um einen ausreichend großen Sprung zu erzeugen, der die Wellenfunktionen von zwei möglichen Ergebnissen austauschen kann (dies wird als π-Impuls bezeichnet). Wenn Sie dies in regelmäßigen Abständen tun, werden alle Änderungen, die während des Betriebs dieses Intervalls aufgrund von Rauschen aufgetreten sind, durch den Effekt abgebrochen.

Wenn also kein Signal und nur Rauschen vorhanden ist, wird sich die Wahrscheinlichkeit nicht ändern. Wenn das Magnetfeld jedoch mit einer konstanten Frequenz schwingt (oder genauer gesagt das Qubit mit dieser Frequenz schwingt), akkumulieren sich Änderungen in der Wellenfunktion.

Dies funktioniert nur, wenn sich die Signale über einen Zeitraum ändern, der den Intervallen zwischen den Tritten entspricht. Tatsächlich erhalten wir einen sehr schmalen Filter (Leute, die sich in dieser Beschreibung für Elektronik interessieren, könnten einen Synchronverstärker erkennen ).

Und obwohl der Filter schmal genug ist, um verwendet werden zu können, kann seine Frequenz nicht reibungslos geändert werden, sodass wir keine unterschiedlichen Frequenzen scannen können. Das Problem ist die Technologie. Ein Quanten-Baseballschläger hat oft einen Mikrowellenpuls. Diese Impulse müssen irgendwie erzeugt werden, und ein guter Signalgenerator kann die Ausgangssignale jede Nanosekunde aktualisieren. Dies bedeutet, dass das Intervall zwischen den Impulsen (und die Länge jedes Impulses) nur um eine Nanosekunde geändert werden kann.

Stellen Sie sich vor, Sie müssen die Frequenz und Amplitude eines magnetischen Wechselfelds messen. Sie wissen, dass sich das Magnetfeld mit einer Frequenz in der Größenordnung von 5 MHz ändert (dies bedeutet, dass sich das Feld in 100 ns von einem vollständig positiven zu einem vollständig negativen Wert bewegt). Aber Sie kennen die genaue Häufigkeit nicht. Um das Magnetfeld zu finden, erhöhen Sie Schritt für Schritt das Impulsintervall, um die gesamte Lücke abzudecken, an der Sie interessiert sind. Und finde nichts. Warum? Denn die Häufigkeit von Änderungen im Magnetfeld liegt zwischen den kleinsten Ihrer möglichen Schritte.

Das gleiche Problem tritt bei der Qubit-Steuerung auf. In einem Gerät mit mehreren Qubits ist jedes geringfügig unterschiedlich und muss mit einem geringfügig unterschiedlichen Satz von Mikrowellenimpulsen gesteuert werden. Und die Auflösung unseres Tools erlaubt es nicht, es gut genug zu optimieren.

Um dies zu umgehen, stellt sich heraus, dass Sie höflicher gegenüber dem Elektron sein müssen. Anstatt ständig einen Baseballschläger zu benutzen, drücken wir das Elektron vorsichtig. Ein sanfter Mikrowellenimpuls hat den interessanten Effekt, die zeitliche Auflösung von Impulsen zu erhöhen. Als Ergebnis erhalten wir eine höhere Frequenzauflösung (und eine bessere Kontrolle über Qubits).

Abrunden der Ecken eines Quadrats

Im Ein / Aus-Impuls hat die Generatoramplitude nur zwei Werte. In einem sanft ansteigenden und abnehmenden Impuls können Sie die gesamte Generatoramplitudenskala verwenden, um die zentrale Position jedes Impulses um einen Wert zu ändern, der viel kleiner als eine Nanosekunde ist. Tatsächlich berechnet die Natur das Zentrum des Impulses durch Interpolation, selbst wenn ihr Generator keinen zentralen Wert erzeugt.

Infolgedessen kann ein Impulsgenerator mit einem 14-Bit-Digital-Analog-Wandler und einer Zeitauflösung von 1 ns die Zeit zwischen den Impulszentren um 1 Pikosekunde ändern. Und das ist eine tausendfache Verbesserung.

Forscher haben gezeigt, dass dies durch Spektroskopie von Magnetfeldern funktioniert, die an supraleitende Schleifen angelegt werden. Anschließend verwendeten sie dieselbe Technologie, um die Kernspinresonanzfrequenz eines einzelnen Kohlenstoffatoms (schweres ¹³ C-Isotop) in Diamant zu messen. In beiden Fällen konnten sie Werte mit einer viel höheren Auflösung messen, als dies mit ihren Geräten möglich wäre.

Ist die Natur nicht seltsam?

Diese Leistung ist sehr überraschend. Tatsächlich nahmen die Forscher an den Geräten teil, die in jedem Labor zu finden sind, und verwendeten sie etwas anders. Das Ergebnis ist nur mit Impulsgeneratoren der Zukunft möglich.

Aber obwohl ich die Ergebnisse erhalte und die Argumentation verstehe, verstehe ich immer noch nicht ganz, wie das funktioniert. Die Natur interpoliert nicht so wie wir - zumindest glaube ich das nicht. Ein Elektron oder ein ausgewähltes Quantenobjekt sendet einen Impuls so wie er ist: eine Reihe diskreter Spannungen, die in festen Schritten über feste Zeiträume zunehmen und abnehmen. Das Zentrum des Impulses kann nicht magisch erkannt werden, indem eine imaginäre Linie zwischen festen Punkten verfolgt wird.

Ich denke, dass hier etwas spielt, das als "Bereich des Impulses" bezeichnet wird (das Integral des Impulses oder buchstäblich der Bereich unter der Kurve). Das Zentrum des Impulses kann als die Zeit definiert werden, während der das Integral die Hälfte erreicht. Bei einem Impuls mit einer sich gleichmäßig ändernden Amplitude können kleine Änderungen der Impulsform variieren, und dieser Wert der Hälfte des Pfades kann auf kontrollierte Weise erreicht werden.

Aber ich bin nicht davon überzeugt, dass alles so funktioniert. Der Schlüssel ist in dem Bereich enthalten, und für einen rechteckigen Impuls kann sich der Bereich immer noch kontinuierlich ändern, selbst wenn die Zeitschritte ziemlich rau sind. Sie müssen nur die Amplitude des Ein-Werts des Rechteckimpulses ändern.

Aber diese Technologie wird für viele nützlich sein. Menschen, die Quantencomputer studieren, müssen in der Lage sein, den Überlagerungszustand zu kontrollieren, und dafür ist Technologie erforderlich. Und jetzt müssen sie in der Lage sein, Quantenzustände noch genauer zu steuern, was bedeutet, dass die gespeicherten Quanteninformationen länger dauern und mehr Berechnungen durchgeführt werden können. In diesem Sinne ist eine solche Technologie ein bedeutender Fortschritt.

Und eines Tages kann ich sogar verstehen, warum es besser funktioniert, als ich denke, dass es sollte.