חוקרים פיתחו שיטה חדשה כדי להבין טוב יותר ולהפחית רעש קוונטי, אשר משבש את פעולת הקיוביטים. חידוש זה יכול לשפר את האמינות של טכנולוגיות מחשוב קוונטי וחישה על ידי אספקת ניתוח ובקרת רעשים מפורטים יותר.
מאמץ משותף בין פיזיקאים וכימאים באוניברסיטת קולורדו הוביל לפיתוח ספקטרוסקופיה של רעש טרנספורמציה של פורייה. שיטה זו מפשטת את תהליך ניתוח הרעש הקוונטי, ובכך מקלה על התקדמות בתחום מחשוב קוונטי וחישה.
"רעש" הוא אחד האתגרים הגדולים ביותר בטכנולוגיה קוונטית וחישה קוונטית. ההפרעות הסביבתיות האקראיות לכאורה יכולות לשבש את המצבים הקוונטיים העדינים של קיוביטים, היחידות הבסיסיות של מידע קוונטי.
בהסתכלות עמוקה יותר על הנושא הזה, עמית עמית JILA ועוזר לפיזיקה של אוניברסיטת קולורדו בולדר שואו סאן שיתפו לאחרונה פעולה עם אנדרס מונטויה-קסטילו, עוזר פרופסור לכימיה (גם ב-CU Boulder), וצוותו כדי לפתח שיטה חדשה להבנה טובה יותר שליטה על הרעש הזה, פוטנציאלית לסלול את הדרך להתקדמות משמעותית במחשוב קוונטי, חישה ובקרה. השיטה החדשה שלהם, המשתמשת בטכניקה מתמטית הנקראת טרנספורמציה פורייה, פורסמה לאחרונה בכתב העת npj מידע קוונטי.
הבעיות עם רעש
בעוד שמקורות רעש מסוימים, כמו מוזיקה, יכולים להיות מהנים, אחרים, כגון קולות התנועה או עיר שוקקת, יכולים להסיח את הדעת ואף להוביל לבעיות בריאותיות לאורך זמן. ברמה המיקרוסקופית, גם רעש יכול להוות אתגרים משמעותיים. אפילו התנודות הקטנות ביותר בטמפרטורת החדר או ברטט הרצפה, או חוסר היציבות המובנית של מערכת הקיוביט, עלולות לשבש את הקוהרנטיות של הקיוביט, ולגרום לה לאבד את המצב הקוונטי בתהליך המכונה דקוהרנטיות.
"הרבה טכנולוגיות קוונטיות שאנשים מאוד מתלהבים מהן, כמו מחשבים קוונטיים וחיישנים קוונטיים, עומדות בפני מגבלה מעשית, שהיא יישום בקנה מידה גדול יותר עם רגישות גבוהה יותר", מסביר סטודנט לתואר שני ב-CU Boulder Physics ושותף ראשון במחבר המאמר , Nanako Shitara, שעובד בקבוצה של Montoya-Castillo. "הסיבה לכך היא שמערכות קוונטיות אלה, או קיוביטים, רגישות מאוד לתנודות בשדות שמסביב, ולעתים קרובות הן מקיימות אינטראקציה זו עם זו."
השוואה בין שתי שיטות ספקטרוסקופיה של רעש של סביבות קיוביט. ה-FTNS של קבוצת Sun עולה בהרבה על שיטות ה-DDNS הנוכחיות. קרדיט: Steven Burrows/Sun group
לא רק שהרעש משפיע על המדידות של מערכות שבירות כמו חיישן קוונטי מדוייק במיוחד, אלא שהוא גם יכול להפוך את המערכת פחות ניתנת לניהול.
שיטארה מפרטת, "הבעיה הופכת לשאלה של שליטה: אתה רוצה לשלוט כיצד קיוביט מגיב לסוגים מסוימים של רעש. בעיקרון, אתה רוצה שהוא יגיב לאותות הנכונים בצורה טובה מאוד בזמן שהוא מתעלם ממקורות רעש אחרים."
הבנת מקורות הרעש הזה, ומציאת דרכים למתן אותם, חיונית לפיתוח מכשירים קוונטיים אמינים, כגון מחשבי קוונטים או חיישנים.
"הבנת סביבת הרעש של קיוביט היא לא רק חשובה להפחתת הרעש, אלא גם משמשת כבדיקה חשובה לחומרים", מסביר Sun. "במקרה האחרון, הקיוביט פועל כחיישן, ומספק תובנות לגבי התנהגות הסביבה החומרית שמסביב."
אפיון רעש מסורתי
כדי לחקור ולשלוט ברעש זה, מדענים השתמשו באופן מסורתי בשיטה הנקראת ספקטרוסקופיה של רעש דינמי (DDNS). שיטה זו כוללת הפעלת פולסים מדויקים על הקיוביטים והתבוננות כיצד הם מגיבים.
"ניתוק דינמי שימש במקור, ועודנו, להארכת זמני הקוהרנטיות בקיוביטים", מוסיף שיטארה. "מסתבר שאם אתה מפעיל פעימות אור קצרות מאוד על קיוביט שמקיים אינטראקציה עם הסביבה שלו, באופן תקופתי כלשהו…(זה) עוזר לקוהרנטיות של הקיוביט לשרוד זמן רב יותר באמצעות איזשהו ניתוק יעיל."
לאחרונה, ניתוק דינמי נועד מחדש כשיטת ספקטרוסקופיה של רעש (ולכן DDNS) כדי למדוד ולאפיין את הרעש בין הקיוביטים. למרות היעילות, DDNS מורכב ודורש הפעלת מספר רב של פולסי לייזר כמעט מיידי. זה גם דורש כמה הנחות לגבי תהליכי הרעש הבסיסיים, מה שהופך אותו למסורבל ופחות פרקטי לשימוש נרחב.
Shitara הרחיב כי לשיטת DDNS יש מגבלות תדר מינימליות ומקסימליות לשחזור ספקטרום רעש עקב אילוצים פיזיים, שעלולים לגרום למדענים לפספס תופעות מעניינות. "אתה יכול לראות שהתדירות הנמוכה ביותר שבה הם משחזרים את הספקטרום יכולה להיות למעשה די גבוהה, תלוי ביישום", היא מוסיפה.
בהסתכלות על האתגרים של DDNS, Shitara, Sun, Montoya-Castillo ו-CU Boulder חוקר הפוסט-דוקטורט Arian Vezvaee הציע שיטה חדשה שדרשה פחות פולסי לייזר והשתמשה בטכניקה מתמטית המכונה טרנספורמציה פורייה.
שינוי מפות רעש
השיטה החדשה, Fourier transform noise spectroscopy (FTNS), מציעה דרך פשוטה, אך עוצמתית, לנתח את הרעש המשפיע על קיוביטים על ידי התמקדות בדינמיקת הקוהרנטיות של הקיוביטים. קוהרנטיות מודדת עד כמה קיוביט שומר על המצב הקוונטי שלו, שהוא קריטי לביצועיו בחישובים קוונטיים. מדידות אלו נעשות בדרך כלל באמצעות ניסויים פשוטים כמו דעיכת אינדוקציה חופשית (FID) או ספין הד (SE), אשר מתחילים את הקיוביט במצב התחלתי ספציפי ונותנים לקוהרנטיות שלו להתפוגג בחופשיות לאורך זמן, עם אפס או פולסי ביניים מופעלים במהלך ההתפרקות. , בהתאמה.
לאחר איסוף מדידות מבוססות זמן אלו, הנתונים מטופלים באמצעות טרנספורמציה של פורייה. תהליך זה הוא כמו פירוק של ציור דיגיטלי לספקטרום הצבעים הבסיסי שלו, פיקסל אחר פיקסל, כדי להבין את יחידות הצבע שמהן הוא עשוי. היחידות הופכות מפיקסלים לערכי צבע באמצעות תהליך זה.
במאמר זה, החוקרים השתמשו בטרנספורמציה של פורייה כדי להמיר את נתוני תחום הזמן לנתוני תחום תדר, ולמעשה פירוק האות המורכב לתדרים המרכיבים אותו. על ידי כך, FTNS חשף את ספקטרום הרעש, והראה אילו תדרי רעש קיימים ועד כמה הם חזקים. החוקרים גילו כי שיטת FTNS טיפלה גם בסוגים שונים של רעש, כולל דפוסי רעש מורכבים שהיו מאתגרים לשיטות אחרות כמו DDNS לפענח.
בעוד שיטה יעילה יותר, ל-FTNS יש מגבלות מסוימות, כמו מגבלות תדר מינימליות ומקסימליות והצורך במדידות זמן ברזולוציה גבוהה ומדידות קוהרנטיות. עם זאת, החוקרים הוכיחו שהמגבלות אלו מגבילות הרבה פחות מאלה של ספקטרוסקופיה של רעש ניתוק דינמי.
סאן והצוות שלו ב-JILA בוחנים כעת בניסוי את שיטת ה-FTNS במרכזי חנקן, שנמצאים לעתים קרובות בתוך יהלומים סינתטיים המשמשים כקיוביטים. במקביל, ג'ו זדרוזני, פרופסור חבר לכימיה באוניברסיטת אוהיו סטייט, והצוות שלו עובדים על יישום FTNS בקיוביטים מולקולריים ומגנטים.
"אנחנו מאוד נרגשים מהיכולת של השיטה שלנו לחשוף את השיחה שנפתרה בתדרים בין קיוביט או חיישן לבין הסביבה שלו – ועוד יותר מההזדמנויות החדשות שהיא מציעה", פירט מונטויה-קסטיו. "מנקודת המבט של החישה, אנחנו עובדים כדי לקבוע כיצד FTNS יכול להראות תהליכים פיזיקליים שקשה לראות ליד חיישן, בין אם זה מרכז צבע בגביש, כמו ריקויות חנקן ביהלומים, יונים לכודים או מגנטים מולקולריים. זהו גבול מרגש שכן חיישנים קוונטיים עשויים לאפשר הדמיה של תהליכים ביולוגיים מורכבים, כמו קיפול חלבון, עם פירוט חסר תקדים ורזולוציה זמנית".
מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע ומלגת המחקר של סלואן.
