Учените усилват квантовите сигнали, като същевременно намаляват шума
Определено количество звук е присъщо на всяка квантова система. Например, когато откривателите желаят да прочетат информация от квантов компютър, който употребява квантово-механични феномени за решение на избрани проблеми, прекомерно комплицирани за класическите компютри, същата квантова механика също придава минимално равнище на неизбежна неточност, което лимитира точността на измерванията.
Учените могат дейно да заобиколят това ограничаване, като употребяват „ параметрично “ увеличаване за „ изстискване “ на шума – квантов феномен, който понижава шума, засягащ една променлива, като в същото време усилва шума, който визира нейния конюгиран сътрудник. Докато общото количество звук остава същото, то се преразпределя дейно. След това откривателите могат да създадат по-точни измервания, като гледат единствено променливата с по-нисък звук.
Екип от откриватели от Масачузетския софтуерен институт и другаде създаде нов свръхпроводящ параметричен усилвател, който работи с усилването на предходните теснолентови изстисквачи, като в същото време реализира квантово изстискване в доста по-големи ленти. Тяхната работа е първата, която показва стесняване в необятна честотна лента до 1,75 гигахерца, като в същото време поддържа висока степен на стесняване (селективно понижаване на шума). За съпоставяне, предходните микровълнови параметрични усилватели нормално реализираха честотна лента от единствено 100 мегахерца или по-малко.
Това ново широколентово устройство може да разреши на учените да четат квантова информация доста по-ефективно, което води до по-бързи и по-точни квантови системи. Чрез понижаване на грешката в измерванията, тази архитектура може да се употребява в мултикубитови системи или други метрологични приложения, които изискват изключителна точност.
„ Тъй като полето на квантовите калкулации пораства и броят на кубитите в тези системи се усилва до хиляди или повече, ще имаме потребност от широколентово увеличаване. С нашата архитектура единствено с един усилвател можете теоретично да четете хиляди кубити по едно и също време “, споделя студентът по електроинженерство и компютърни науки Джак Киу, който е член на Engineering Quantum Systems Group и водещ създател на отчета, описващ в детайли този задатък.
Старши създатели са Уилям Д. Оливър, Хенри Елис Уорън, професор по електротехника и компютърни науки и по физика, шеф на Центъра за квантово инженерство и асоцииран шеф на Изследователската лаборатория по електроника; и Кевин П. О’Брайън, професор по кариерно развиване на Емануел Е. Ландсман по електротехника и компютърни науки. Документът се появява през днешния ден в Nature Physics.
Шум от прилепяне под общоприетата квантова граница
Свръхпроводящите квантови вериги, като квантови битове или „ кубити “, обработват и трансферират информация в квантовите системи. Тази информация се носи от микровълнови електромагнитни сигнали, съдържащи фотони. Но тези сигнали могат да бъдат извънредно слаби, тъй че откривателите употребяват усилватели, с цел да усилят равнището на сигнала, тъй че да могат да се вършат чисти измервания.
Въпреки това, квантово свойство, известно като правилото на неопределеността на Хайзенберг, изисква прибавяне на минимално количество звук по време на процеса на увеличаване, което води до „ общоприетата квантова граница “ на фоновия звук. Въпреки това, особено устройство, наречено параметричен усилвател на Джоузефсън, може да понижи добавения звук, като го „ изстиска “ под главната граница, като дейно го преразпредели другаде.
Квантовата информация е показана в конюгирани променливи, да вземем за пример амплитудата и етапа на електромагнитните талази. В доста случаи обаче откривателите би трябвало единствено да измерят една от тези променливи - амплитудата или етапа - с цел да дефинират квантовото положение на системата. В тези случаи те могат да „ изстискат шума “, като го понижат за една променлива, да речем амплитуда, до момента в който го покачват за другата, в този случай фаза. Общото количество звук остава същото заради правилото на неопределеността на Хайзенберг, само че разпределението му може да бъде завършено по подобен метод, че да са вероятни по-малко шумни измервания на една от променливите.
Един стандартен параметричен усилвател на Джоузефсън е основан на резонатор: това е като ехтене камера със свръхпроводящ нелинеен детайл, наименуван Джоузефсоново съединяване в средата. Фотоните навлизат в ехтене камерата и отскачат в близост, с цел да взаимодействат с едно и също Джоузефсоново съединяване неведнъж. В тази среда нелинейността на системата - осъществена от прехода на Джоузефсън - се усъвършенства и води до параметрично увеличаване и прилепяне. Но защото фотоните минават едно и също кръстовище на Джоузефсън доста пъти, преди да излязат, кръстовището е напрегнат. В резултат както честотната лента, по този начин и оптималният сигнал, който може да поеме основаният на резонатор усилвател, са лимитирани.
Тяхната система с пътуваща вълна може да понася сигнали с доста по-висока мощ от основаните на резонатор усилватели на Джоузефсън без ограничаването на честотната лента на резонатора, което води до широколентово увеличаване и високи равнища на прилепяне, споделя Qiu.
„ Можете да мислите за тази система като за в действителност дълго оптично влакно, различен вид разпределен нелинеен параметричен усилвател. И можем да прокараме до 10 000 кръстовища или повече. Това е разширяема система, за разлика от резонансната архитектура “, споделя той.
Почти тихо увеличаване
Двойка фотони на помпата влизат в устройството, служейки като източник на сила. Изследователите могат да настроят честотата на фотоните, идващи от всяка помпа, с цел да генерират прилепяне при мечтаната периодичност на сигнала. Например, в случай че желаят да изтласкат сигнал от 6 гигахерца, те ще настроят помпите да изпращат фотони надлежно на 5 и 7 гигахерца. Когато фотоните на помпата взаимодействат вътре в устройството, те се комбинират, с цел да произведат интензивен сигнал с периодичност тъкмо в средата на двете помпи. Това е специфичен развой на по-общо събитие, наречено разбъркване на нелинейни талази.
„ Притискането на шума е резултат от резултат на двуфотонна квантова интерференция, който поражда по време на параметричния развой “, изяснява той.
Тази архитектура им разреши да понижат мощността на шума с фактор 10 под фундаменталната квантова граница, до момента в който работят с 3,5 гигахерца честотна лента на увеличаване - честотен диапазон, който е съвсем два порядъка по-висок от предходните устройства.
Тяхното устройство също показва широколентово генериране на заплетени фотонни двойки, което може да разреши на откривателите да четат квантова информация по-ефективно с доста по-високо съответствие сигнал/шум, споделя Qiu.
Въпреки че Qiu и неговите сътрудници са разчувствани от тези резултати, той споделя, че към момента има място за усъвършенстване. Материалите, които са употребявали за производството на усилвателя, внасят известна загуба на микровълни, което може да понижи продуктивността. Продължавайки напред, те изследват разнообразни способи за произвеждане, които биха могли да подобрят загубата на проникване.
„ Тази работа не е предопределена да бъде независим план. Той има голям капацитет, в случай че го приложите към други квантови системи - за взаимоотношение с кубит система за възстановяване на отчитането, или за усложнение на кубити, или за разширение на работния честотен диапазон на устройството, с цел да се употребява при разкриване на тъмна материя и възстановяване на успеваемостта на разкриване. Това всъщност е като проект за бъдеща работа “, споделя той.
Допълнителни съавтори включват Arne Grimsmo, старши учител в университета в Сидни; Kaidong Peng, студент по EECS в Групата за квантова кохерентна електроника в MIT; Bharath Kannan, PhD ’22, основен изпълнителен шеф на Atlantic Quantum; Бенджамин Лиенхард PhD ’21, постдокторант в Принстънския университет; Youngkyu Sung, студент по EECS в MIT; Филип Кранц, постдоктор на MIT; Владимир Болховски, Грег Калузин, Дейвид Ким, Алекс Мелвил, Бетани Ниедзилски, Джонилин Йодер и Моли Шварц, членове на техническия личен състав в лабораторията Линкълн на MIT; Тери Орландо, професор по електроинженерство в MIT и член на RLE; Irfan Siddiqi, професор по физика в Калифорнийския университет в Бъркли; и Саймън Густавсон, основен откривател в групата по инженерни квантови системи в MIT.
Тази работа беше финансирана частично от лабораториите по физика и информатика на NTT и програмата на Службата на шефа на националното разузнаване IARPA.
