לשבור את הגבולות: להתגבר על אי הוודאות של הייזנברג במדידות קוונטיות

חוקרי אוניברסיטת אלטו הם הראשונים בעולם למדוד קיוביטים באמצעות גלאים תרמיים רגישים במיוחד – ובכך מתחמקים מעיקרון אי הוודאות של הייזנברג.

המרדף אחר ספירת קיוביט גבוהה יותר ומתמיד במחשבים קוונטיים לטווח הקרוב דורש כל הזמן הישגים חדשים של הנדסה.

בין המכשולים הבעייתיים של מרוץ ההגדלה הזה הוא חידוד אופן מדידת הקיוביטים. התקנים הנקראים מגברים פרמטריים משמשים באופן מסורתי לביצוע מדידות אלה. אבל כפי שהשם מרמז, המכשיר מגביר אותות חלשים שנקלטים מהקיוביטים כדי לנהל את הקריאה, מה שגורם לרעש לא רצוי ועלול להוביל לחוסר קוהרנטיות של הקיוביטים אם לא מוגן על ידי רכיבים גדולים נוספים. חשוב מכך, הגודל המגושם של שרשרת ההגברה הופך להיות מאתגר טכנית לעקוף ככל שמספר הקיוביטים גדל במקררים מוגבלים בגודל.

מדידת קוויביט מבוססת בולומטר

סימן לקבוצת המחקר של אוניברסיטת אלטו מחשוב קוונטי והתקנים (QCD). יש להם רקורד נכבד להראות כיצד ניתן להשתמש בבולוממטרים תרמיים כגלאים רגישים במיוחד, והם רק הדגימו ב-10 באפריל. טבע אלקטרוניקה נייר שמדידות בולומטר יכולות להיות מדויקות מספיק לקריאת קיוביט בצילום יחיד.

התגברות על עקרון אי הוודאות של הייזנברג

למורת רוחם של פיזיקאים רבים, עקרון אי הוודאות של הייזנברג קובע שלא ניתן לדעת בו-זמנית את המיקום והתנע של האות, או את המתח והזרם, עם דיוק. אז זה הולך עם מדידות קיוביט שנערכו עם מגברי מתח-זרם פרמטריים. אבל חישת אנרגיה בולומטרית היא סוג שונה מהותית של מדידה – משמשת כאמצעי להתחמק מהשלטון הידוע לשמצה של הייזנברג. מאז בולומטר מודד כוח, או פוטון מספר, זה לא מחויב להוסיף רעש קוונטי הנובע מעיקרון אי הוודאות של הייזנברג באופן שבו הם מגברים פרמטריים.

היתרון של ננובולומטרים

בניגוד למגברים, בולומטרים חשים בעדינות רבה את פוטוני המיקרוגל הנפלטים מהקיוביט באמצעות ממשק זיהוי זעיר פולשני. גורם צורה זה קטן בערך פי 100 ממקבילו למגבר, מה שהופך אותו לאטרקטיבי ביותר כמכשיר מדידה.

אבולוציה וסיכויים למדידה קוונטית

"כשחושבים על עתיד קוונטי-עליון, קל לדמיין שספירת קיוביט גבוהה באלפי או אפילו מיליונים יכולה להיות דבר שבשגרה. הערכה מדוקדקת של טביעת הרגל של כל רכיב היא הכרחית לחלוטין להגדלה מסיבית זו. הצגנו ב טבע אלקטרוניקה נייר שניתן לשקול ברצינות את הננובולומטרים שלנו כחלופה למגברים קונבנציונליים", אומר פרופסור מאוניברסיטת אלטו מיקו מוטונן, העומד בראש קבוצת המחקר QCD.

"בניסויים הראשונים שלנו, מצאנו את הבולומטרים האלה מדויקים מספיק לקריאת צילום בודדת, ללא רעש קוונטי נוסף, והם צורכים פי 10,000 פחות כוח מהמגברים הטיפוסיים – הכל בבולומטר זעיר, שחלקו הרגיש לטמפרטורה יכול להשתלב בתוך חיידק בודד", מסביר מוטונן.

נאמנות של צילום יחיד הוא מדד חשוב שפיזיקאים משתמשים בהם כדי לקבוע באיזו מידה מכשיר יכול לזהות מצב של קיוביט במדידה אחת בלבד, בניגוד לממוצע של מדידות מרובות. במקרה של הניסויים של קבוצת QCD, הם הצליחו להשיג נאמנות של צילום בודד של 61.8% עם משך קריאה של בערך 14 מיקרו-שניות. כאשר מתקינים את זמן הרפיית האנרגיה של הקיוביט, הנאמנות קופצת עד 92.7%.

שיפורים עתידיים לקריאה בולומטרית

"בשינויים קלים, נוכל לצפות לראות בולומטרים מתקרבים לנאמנות הרצויה של 99.9% צילום בודד תוך 200 ננו-שניות. לדוגמה, אנו יכולים להחליף את חומר הבולומטר ממתכת ל גרפן, בעל קיבולת חום נמוכה יותר ויכול לזהות שינויים קטנים מאוד באנרגיה שלו במהירות. ועל ידי הסרת רכיבים מיותרים אחרים בין הבולומטר לשבב עצמו, אנו יכולים לא רק לבצע שיפורים גדולים עוד יותר בנאמנות הקריאה, אלא נוכל להשיג מכשיר מדידה קטן ופשוט יותר שהופך את ההרחבה לספירת קיוביט גבוהה יותר לביצועית יותר." אומר András Gunyhó, המחבר הראשון על המאמר וחוקר דוקטורט בקבוצת QCD.

לפני שהדגימו את נאמנות הקריאה הגבוהה של הבולומטים במאמר האחרון שלהם, קבוצת המחקר QCD הראתה לראשונה שניתן להשתמש בבולוממטרים למדידות מיקרוגל רגישות במיוחד בזמן אמת בשנת 2019. לאחר מכן הם פרסמו בשנת 2020 מאמר ב-Nature המציג כיצד בולומטרים עשויים גרפן יכולים לקצר את זמני הקריאה להרבה מתחת למיקרו-שנייה.

העבודה בוצעה במרכז המצוינות של מועצת המחקר של פינלנד לטכנולוגיה קוונטית (QTF) תוך שימוש בתשתית מחקר OtaNano בשיתוף עם VTT Technical Research Center of Finland ו-IQM Quantum Computers. הוא מומן בעיקר על ידי מועצת המחקר האירופית Advanced Grant ConceptQ ותוכנית יוצרי העתיד של קרן ג'יין ואטוס ארקו והקרן המאה של תעשיות הטכנולוגיה של פינלנד.