Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit

In de microscopische wereld van quantumcomputing wordt informatie opgeslagen in fragiele toestanden die gemakkelijk kunnen worden vernietigd door de kleinste aanraking van de omgeving. Om deze informatie te lezen, moeten wetenschappers deze kwantumsystemen verbinden met de buitenwereld, maar deze verbinding creëert juist een gevaarlijke paradox. Hoe sterker de verbinding die wordt gebruikt om het systeem te meten, hoe sneller het systeem zijn energie verliest en instort, een fenomeen dat bekend staat als verval. Jarenlang geloofden onderzoekers dat ze moesten kiezen tussen een duidelijk, sterk signaal en een langdurige kwantumtoestand; je kon het één hebben, maar niet beide. Deze afweging is een grote blokkade geweest bij het bouwen van machines die complexe problemen kunnen oplossen zonder uit elkaar te vallen.

Een team onderzoekers in Taiwan heeft nu een manier gevonden om deze regel te breken. Ze ontwierpen een minuscuul elektronisch circuit met twee supergeleidende kunstmatige atomen, die fungeren als de basisbouwstenen van een kwantumcomputer. Deze atomen zijn verbonden met een enkel meetapparaat, maar het team heeft ze in een specif으로 patroon gerangschikt dat twee verschillende soorten gedrag creëert. Eén type gedrag, dat ze een "heldere" toestand noemen, interageert sterk met het meetapparaat, waardoor het gemakkelijk gelezen kan worden maar ook snel energie verliest. De andere toestand, een "donkere" toestand, is zo ontworpen dat deze bijna niet met het meetapparaat interageert, waardoor hij effectief verborgen blijft voor het energieverlies dat normaal gesproken kwantuminformatie vernietigt.

De doorbraak ligt in de manier waarop ze deze verborgen toestand zichtbaar hebben gemaakt. Hoewel de donkere toestand niet direct met het meetapparaat communiceert, ontdekten de onderzoekers dat deze nog steeds een vingerafdruk achterlaat op het systeem via een subtiele interactie met zijn heldere partner. Door de heldere toestand te meten, konden ze de aanwezigheid van de donkere toestand indirect detecteren met bijna dezelfde helderheid alsof deze direct zou interageren. In hun experimenten hield de donkere toestand bijna twee keer zo lang stand als de heldere toestand, wat bewees dat deze beschermd was tegen het snelle verval dat normaal gesproken bepaalt hoe lang een kwantumbit kan overleven. Toch, ondanks deze bescherming, zorgde de donkere toestand er nog steeds voor dat de frequentie van het meetapparaat verschoof op een manier die duidelijk te onderscheiden was van de grondtoestand.

Het experiment werd uitgevoerd op een microscopische chip die werd gekoeld tot een temperatuur net boven het absolute nulpunt. De onderzoekers gebruikten microgolfpulsen om het systeem in ofwel de heldere of de donkere toestand te duwen. Wanneer ze probeerden de donkere toestand direct te meten via de hoofdverbinding, bleef deze stil, wat bevestigde dat deze inderdaad werd afgeschermd van de gebruikelijke energielekken. Echter, wanneer ze keken naar de manier waarop het systeem reageerde op een milde probe, ontdekten ze dat de donkere toestand nog steeds een meetbare verschuiving in de frequentie van de resonator veroorzaakte. Deze verschuiving was bijna identiek aan de verschuiving die door de heldere toestand werd veroorzaakt, wat aantoonde dat de informatie aanwezig was om gelezen te worden zonder de straf van snel verval.

Deze ontdekking suggereert een nieuwe weg vooruit voor quantumcomputing. Door deze "donkere modus" te gebruiken, kunnen wetenschappers kwantuminformatie mogelijk voor langere perioden opslaan terwijl ze deze nog steeds kunnen uitlezen wanneer dat nodig is. De onderzoekers lieten zien dat de donkere toestand met hoge betrouwbaarheid kon worden voorbereid en gemeten, wat een manier biedt om kwantumdata veilig te houden voor de omgeving zonder ze onzichtbaar te maken voor de waarnemer. Deze aanpak zou bijzonder nuttig kunnen zijn voor het detecteren en corrigeren van fouten in toekomstige kwantumcomputers, waarbij het behoud van de toestand van informatie even belangrijk is als het lezen ervan. Het werk laat zien dat het, door de verbindingen tussen kwantumcomponenten zorgvuldig te arrangeren, mogelijk is om het beste van twee werelden te hebben: een toestand die zowel langdurig als meetbaar is.