Ενίσχυση κβαντικών σημάτων με μείωση θορύβου

Η πρόκληση του θορύβου στα κβαντικά συστήματα

Ο θόρυβος είναι ένα αναπόφευκτο στοιχείο σε κάθε κβαντικό σύστημα. Όταν οι ερευνητές προσπαθούν να διαβάσουν πληροφορίες από έναν κβαντικό υπολογιστή, ο οποίος εκμεταλλεύεται τα κβαντομηχανικά φαινόμενα για να λύσει προβλήματα που είναι πολύπλοκα για τους κλασικούς υπολογιστές, η ίδια η κβαντομηχανική προσθέτει ένα ελάχιστο επίπεδο σφάλματος που περιορίζει την ακρίβεια των μετρήσεων.

Η τεχνική της παραμετρικής ενίσχυσης

Οι επιστήμονες μπορούν να παρακάμψουν αυτόν τον περιορισμό χρησιμοποιώντας την τεχνική της “παραμετρικής” ενίσχυσης για να “συμπιέσουν” τον θόρυβο. Αυτή η κβαντική φαινόμενη μειώνει τον θόρυβο που επηρεάζει μία μεταβλητή ενώ αυξάνει τον θόρυβο που επηρεάζει τη συζυγή της μεταβλητή. Αν και το συνολικό ποσό του θορύβου παραμένει το ίδιο, ανακατανέμεται με τέτοιο τρόπο ώστε οι ερευνητές να μπορούν να κάνουν πιο ακριβείς μετρήσεις κοιτάζοντας μόνο τη μεταβλητή με τον χαμηλότερο θόρυβο.

Η καινοτομία του MIT στη συμπίεση θορύβου

Μια ομάδα ερευνητών από το MIT και άλλους φορείς ανέπτυξε έναν νέο υπεραγώγιμο παραμετρικό ενισχυτή που λειτουργεί με την απόδοση των προηγούμενων στενών εύρους συμπιεστών, επιτυγχάνοντας όμως κβαντική συμπίεση σε πολύ μεγαλύτερα εύρη συχνοτήτων. Το έργο τους είναι το πρώτο που επιδεικνύει συμπίεση σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων έως 1,75 gigahertz, διατηρώντας υψηλό βαθμό συμπίεσης (επιλεκτική μείωση θορύβου). Σε σύγκριση, οι προηγούμενοι παραμετρικοί ενισχυτές μικροκυμάτων επιτύγχαναν εύρη συχνοτήτων μόνο 100 megahertz ή λιγότερο.

Εφαρμογές σε κβαντικά συστήματα

Αυτή η νέα ευρυζωνική συσκευή μπορεί να επιτρέψει στους επιστήμονες να διαβάζουν κβαντικές πληροφορίες πολύ πιο αποτελεσματικά, οδηγώντας σε ταχύτερα και πιο ακριβή κβαντικά συστήματα. Μειώνοντας το σφάλμα στις μετρήσεις, αυτή η αρχιτεκτονική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε συστήματα πολλαπλών qubit ή σε άλλες μετρολογικές εφαρμογές που απαιτούν ακραία ακρίβεια.

Η ανάγκη για ευρυζωνική ενίσχυση

Καθώς το πεδίο της κβαντικής πληροφορικής αναπτύσσεται και ο αριθμός των qubits σε αυτά τα συστήματα αυξάνεται σε χιλιάδες ή περισσότερα, θα χρειαστούμε ευρυζωνική ενίσχυση. Με την αρχιτεκτονική μας, με έναν μόνο ενισχυτή θα μπορούσατε θεωρητικά να διαβάσετε ταυτόχρονα χιλιάδες qubits, λέει ο Jack Qiu, μεταπτυχιακός φοιτητής ηλεκτρολόγων μηχανικών και επιστήμης υπολογιστών και κύριος συγγραφέας της μελέτης.

Η τεχνολογία του Josephson parametric amplifier

Οι υπεραγώγιμες κβαντικές κυκλώσεις, όπως τα κβαντικά bits ή “qubits”, επεξεργάζονται και μεταφέρουν πληροφορίες σε κβαντικά συστήματα. Αυτές οι πληροφορίες μεταφέρονται από ηλεκτρομαγνητικά σήματα μικροκυμάτων που αποτελούνται από φωτόνια. Ωστόσο, αυτά τα σήματα μπορεί να είναι εξαιρετικά αδύναμα, οπότε οι ερευνητές χρησιμοποιούν ενισχυτές για να αυξήσουν το επίπεδο του σήματος ώστε να μπορούν να γίνουν καθαρές μετρήσεις.

Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg

Ωστόσο, μια κβαντική ιδιότητα γνωστή ως η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg απαιτεί να προστεθεί ένα ελάχιστο ποσό θορύβου κατά τη διαδικασία ενίσχυσης, οδηγώντας στο “τυπικό κβαντικό όριο” του θορύβου υποβάθρου. Ωστόσο, μια ειδική συσκευή, που ονομάζεται Josephson parametric amplifier, μπορεί να μειώσει τον προστιθέμενο θόρυβο “συμπιέζοντάς” τον κάτω από το θεμελιώδες όριο με την αποτελεσματική ανακατανομή του αλλού.

Η προσέγγιση του MIT

Οι ερευνητές του MIT ακολούθησαν μια διαφορετική προσέγγιση. Αντί να ενσωματώσουν μία ή λίγες συνδέσεις Josephson μέσα σε έναν αντηχείο, συνέδεσαν περισσότερες από 3.000 συνδέσεις, δημιουργώντας αυτό που είναι γνωστό ως Josephson traveling-wave parametric amplifier. Τα φωτόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους καθώς ταξιδεύουν από σύνδεση σε σύνδεση, με αποτέλεσμα τη συμπίεση του θορύβου χωρίς να καταπονούν καμία μεμονωμένη σύνδεση.

Σχεδόν χωρίς θόρυβο ενίσχυση

Ένα ζεύγος φωτονίων αντλίας εισέρχεται στη συσκευή, λειτουργώντας ως πηγή ενέργειας. Οι ερευνητές μπορούν να ρυθμίσουν τη συχνότητα των φωτονίων που προέρχονται από κάθε αντλία για να δημιουργήσουν συμπίεση στη ζητούμενη συχνότητα σήματος. Για παράδειγμα, αν θέλουν να συμπιέσουν ένα σήμα 6 gigahertz, θα ρυθμίσουν τις αντλίες να στέλνουν φωτόνια στα 5 και 7 gigahertz, αντίστοιχα. Όταν τα φωτόνια της αντλίας αλληλεπιδρούν μέσα στη συσκευή, συνδυάζονται για να παράγουν ένα ενισχυμένο σήμα με συχνότητα ακριβώς στη μέση των δύο αντλιών.

Προοπτικές και μελλοντικές εφαρμογές

Αν και τα αποτελέσματα είναι εντυπωσιακά, υπάρχει ακόμα χώρος για βελτιώσεις. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του ενισχυτή εισάγουν κάποια απώλεια μικροκυμάτων, που μπορεί να μειώσει την απόδοση. Προχωρώντας, οι ερευνητές εξερευνούν διαφορετικές μεθόδους κατασκευής που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απώλεια εισαγωγής.

Αυτό το έργο δεν προορίζεται να είναι ένα αυτόνομο έργο. Έχει τεράστιο δυναμικό αν εφαρμοστεί σε άλλα κβαντικά συστήματα — για να συνδεθεί με ένα σύστημα qubit για να βελτιώσει την ανάγνωση, ή να εμπλέξει qubits, ή να επεκτείνει το εύρος λειτουργίας της συσκευής για να χρησιμοποιηθεί στην ανίχνευση σκοτεινής ύλης και να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα της ανίχνευσης. Αυτό είναι ουσιαστικά σαν ένα σχέδιο για μελλοντική εργασία.