Shkencëtarët nxisin sinjalet kuantike duke reduktuar zhurmën

Një sasi e caktuar zhurme është e natyrshme në çdo sistem kuantik. Për shembull, kur studiuesit duan të lexojnë informacion nga një kompjuter kuantik, i cili përdor fenomene mekanike kuantike për të zgjidhur probleme të caktuara shumë komplekse për kompjuterët klasikë, e njëjta mekanikë kuantike jep gjithashtu një nivel minimal të gabimit të pashmangshëm që kufizon saktësinë e matjeve.

Shkencëtarët mund ta kapërcejnë në mënyrë efektive këtë kufizim duke përdorur amplifikimin “parametrik” për të “shtrydhur” zhurmën – një fenomen kuantik që zvogëlon zhurmën që prek një variabël ndërsa rrit zhurmën që prek partnerin e saj të konjuguar. Ndërsa sasia totale e zhurmës mbetet e njëjtë, ajo rishpërndahet në mënyrë efektive. Hulumtuesit më pas mund të bëjnë matje më të sakta duke parë vetëm variablin me zhurmë më të ulët.

Një ekip studiuesish nga MIT dhe gjetkë tani ka zhvilluar një përforcues të ri parametrik superpërcjellës që funksionon me fitimin e shtrydhësve të mëparshëm me brez të ngushtë, ndërsa arrin shtrydhje kuantike mbi gjerësi bande shumë më të mëdha. Puna e tyre është e para që demonstron shtrydhjen mbi një gjerësi bande të frekuencës së gjerë deri në 1,75 gigahertz duke ruajtur një shkallë të lartë shtrydhjeje (ulje selektive të zhurmës). Në krahasim, përforcuesit e mëparshëm parametrikë të mikrovalës përgjithësisht arrinin gjerësi bande prej vetëm 100 megahertz ose më pak.

Kjo pajisje e re me brez të gjerë mund t’u mundësojë shkencëtarëve të lexojnë informacionin kuantik në mënyrë shumë më efikase, duke çuar në sisteme kuantike më të shpejta dhe më të sakta. Duke reduktuar gabimin në matje, kjo arkitekturë mund të përdoret në sisteme multiqubit ose aplikacione të tjera metrologjike që kërkojnë saktësi ekstreme.

“Ndërsa fusha e llogaritjes kuantike rritet dhe numri i kubitëve në këto sisteme rritet në mijëra ose më shumë, ne do të kemi nevojë për përforcim të brezit të gjerë. Me arkitekturën tonë, me vetëm një përforcues teorikisht mund të lexoni mijëra kubit në të njëjtën kohë. ” thotë studenti i diplomuar i inxhinierisë elektrike dhe shkencave kompjuterike Jack Qiu, i cili është anëtar i Grupit Inxhinierike Kuantike të Sistemeve dhe autori kryesor i punimit që detajon këtë përparim.

Autorët kryesorë janë William D. Oliver, Henry Ellis Warren profesor i inxhinierisë elektrike dhe shkencave kompjuterike dhe i fizikës, drejtor i Qendrës për Inxhinierinë Kuantike dhe drejtor i asociuar i Laboratorit Kërkimor të Elektronikës; dhe Kevin P. O’Brien, Emanuel E. Landsman Profesor i Zhvillimit të Karrierës i inxhinierisë elektrike dhe shkencave kompjuterike. Punimi do të shfaqet në Nature Physics.

Qarqet kuantike superpërcjellëse, si bit kuantikë ose “qubit”, përpunojnë dhe transferojnë informacion në sistemet kuantike. Ky informacion bartet nga sinjalet elektromagnetike të mikrovalës që përmbajnë fotone. Por këto sinjale mund të jenë jashtëzakonisht të dobëta, kështu që studiuesit përdorin amplifikues për të rritur nivelin e sinjalit në mënyrë që të mund të bëhen matje të pastra.

Megjithatë, një veti kuantike e njohur si Parimi i Pasigurisë së Heisenberg kërkon që të shtohet një sasi minimale zhurme gjatë procesit të amplifikimit, duke çuar në “kufirin kuantik standard” të zhurmës së sfondit. Megjithatë, një pajisje e veçantë, e quajtur një amplifikues parametrik Josephson, mund të zvogëlojë zhurmën e shtuar duke e “shtrydhur” atë nën kufirin themelor duke e rishpërndarë në mënyrë efektive diku tjetër.

Informacioni kuantik përfaqësohet në variablat e konjuguar, për shembull, amplituda dhe faza e valëve elektromagnetike. Megjithatë, në shumë raste, studiuesit duhet të matin vetëm një nga këto variabla – amplituda ose faza – për të përcaktuar gjendjen kuantike të sistemit. Në këto raste, ata mund të “shtrydhin zhurmën”, duke e ulur atë për një variabël, le të themi amplituda, ndërsa e rrisin atë për tjetrën, në këtë fazë. Sasia totale e zhurmës mbetet e njëjtë për shkak të Parimit të Pasigurisë së Heisenberg-ut, por shpërndarja e saj mund të formësohet në atë mënyrë që të jenë të mundshme matje me më pak zhurmë në një nga variablat.

Një përforcues parametrik konvencional Josephson është i bazuar në rezonator: Është si një dhomë jehone me një element jolinear superpërcjellës të quajtur një kryqëzim Josephson në mes. Fotonet hyjnë në dhomën e jehonës dhe kërcejnë përreth për të bashkëvepruar me të njëjtin kryqëzim Josephson shumë herë. Në këtë mjedis, jolineariteti i sistemit – i realizuar nga kryqëzimi Josephson – përmirësohet dhe çon në amplifikimin dhe shtrydhjen parametrike. Por, meqenëse fotonet përshkojnë të njëjtin kryqëzim Josephson shumë herë përpara se të dalin, kryqëzimi është i stresuar. Si rezultat, si gjerësia e brezit ashtu edhe sinjali maksimal që amplifikuesi i bazuar në rezonator mund të akomodojë është i kufizuar.

Studiuesit e MIT morën një qasje të ndryshme. Në vend që të vendosnin një ose disa nyje Josephson brenda një rezonatori, ata lidhën më shumë se 3000 kryqëzime së bashku, duke krijuar atë që njihet si një përforcues parametrik i valëve udhëtuese Josephson. Fotonet ndërveprojnë me njëri-tjetrin ndërsa udhëtojnë nga kryqëzimi në kryqëzim, duke rezultuar në shtrëngimin e zhurmës pa stresuar asnjë kryqëzim të vetëm.

Sistemi i tyre i valëve udhëtuese mund të tolerojë sinjale me fuqi shumë më të lartë sesa amplifikatorët Josephson të bazuar në rezonator pa kufizimin e gjerësisë së brezit të rezonatorit, duke çuar në amplifikimin e brezit të gjerë dhe nivele të larta të shtrydhjes, thotë Qiu.

“Ju mund ta mendoni këtë sistem si një fibër optike me të vërtetë të gjatë, një lloj tjetër amplifikuesi parametrik jolinear të shpërndarë. Dhe ne mund të shtyjmë deri në 10,000 kryqëzime ose më shumë. Ky është një sistem i shtrirë, në krahasim me arkitekturën rezonante,” thotë ai.

Një palë fotone pompë hyn në pajisje, duke shërbyer si burim energjie. Studiuesit mund të rregullojnë frekuencën e fotoneve që vijnë nga çdo pompë për të gjeneruar shtrydhje në frekuencën e dëshiruar të sinjalit. Për shembull, nëse duan të shtrydhin një sinjal 6 gigahertz, ata do të rregullonin pompat për të dërguar fotone përkatësisht në 5 dhe 7 gigahertz. Kur fotonet e pompës ndërveprojnë brenda pajisjes, ato kombinohen për të prodhuar një sinjal të përforcuar me një frekuencë pikërisht në mes të dy pompave. Ky është një proces i veçantë i një fenomeni më gjenerik të quajtur përzierja e valëve jolineare.

“Shtypja e zhurmës rezulton nga një efekt ndërhyrje kuantike me dy foton që lind gjatë procesit parametrik,” shpjegon ai.

Kjo arkitekturë u mundësoi atyre të zvogëlojnë fuqinë e zhurmës me një faktor 10 nën kufirin themelor kuantik ndërsa funksionojnë me 3,5 gigahertz të gjerësisë së brezit të amplifikimit – një gamë frekuence që është pothuajse dy rend magnitudë më e lartë se pajisjet e mëparshme.

Pajisja e tyre demonstron gjithashtu gjenerimin me brez të gjerë të çifteve të fotoneve të ngatërruara, të cilat mund t’u mundësojnë studiuesve të lexojnë informacionin kuantik në mënyrë më efikase me një raport shumë më të lartë sinjal-zhurmë, thotë Qiu.

Ndërsa Qiu dhe bashkëpunëtorët e tij janë të emocionuar nga këto rezultate, ai thotë se ka ende vend për përmirësim. Materialet që ata përdorën për të fabrikuar amplifikatorin sjellin disa humbje të mikrovalës, të cilat mund të zvogëlojnë performancën. Duke ecur përpara, ata po eksplorojnë metoda të ndryshme fabrikimi që mund të përmirësojnë humbjen e futjes.

“Kjo punë nuk është menduar të jetë një projekt i pavarur. Ajo ka një potencial të jashtëzakonshëm nëse e aplikoni në sisteme të tjera kuantike – për t’u ndërlidhur me një sistem qubit për të përmirësuar leximin, ose për të ngatërruar kubitët, ose për të zgjeruar gamën e frekuencës së funksionimit të pajisjes që të jetë përdoret në zbulimin e lëndës së errët dhe përmirëson efikasitetin e saj të zbulimit. Ky është në thelb si një plan për punën e ardhshme”, thotë ai.