هوش مصنوعی، لیزر و کوانتوم

به عنوان مثال، کوپل کردن 100 کیوبیت به صورت جفتی به تعداد زیادی کوپلر نیاز دارد. علاوه بر این، کنترل تک تک عناصر مدار و کوپلرها با کابل‌های مجزا برای حتی 1000 کیوبیت به حجم غیرعملی زیادی کابل نیاز دارد، که نصب چنین سیستمی را در یک آزمایشگاه بزرگ غیرممکن می‌سازد، چه رسد به مدیریت میلیون‌ها کیوبیت. این امر نیاز به روش‏های کوپلینگ کارآمدتر و مقیاس­پذیر را برجسته می­کند.

تیمی از فیزیکدانان نظری به رهبری Mohd Ansari در FZJ، با همکاری تیم آزمایشی Britton Plourde در دانشگاه سیراکیوز، رویکرد جدیدی را با استفاده از یک کوپلر چند حالته معرفی کردند که قدرت کوپلینگ قابل تنظیم بین هر جفت کیوبیت را ممکن می‌سازد. این تحقیق که در PRX Quantum منتشر شده است، از یک کوپلر مشترک به شکل حلقه، ساخته شده از یک خط گذار فراماده استفاده می­کند. این طرح یک طیف فرکانسی متراکم از تشدید موج ایستا در نزدیکی محدوده فرکانس گذار کیوبیت ایجاد می‏کند. این طراحی منحصر به فرد، که در آن فرکانس امواج ایستا به طور خطی متناسب با طول موج آنها است، با امواج ایستای معمولی در تضاد است. برای مثال، دو برابر کردن فرکانس، طول موج را دو برابر می‌کند، برخلاف سیستم‌های معمولی که دوبرابر کردن فرکانس طول موج را به نصف کاهش می‌دهد. یک ساز موسیقی را تصور کنید که در آن صدای بلندتر با طول موج­های بلندتر مطابقت دارد - این مفهوم انتظارات سنتی را نادیده می­گیرد.

دو کیوبیت ابررسانا در موقعیت‌های ساعت 3 و 6 روی تشدیدگر حلقه با امواج ایستا قرار می‌گیرند، با قدرت برهمکنش بسته به دامنه موج ایستا در مکان‌هایشان، جفت کردن چند کیوبیت به یک حالت تشدید مشترک، برهمکنش‌های تبادل عرضی را القا می‌کند. با جفت شدن بسته به تنظیم هر کیوبیت به حالت‌های مختلف، این برهمکنش­ها می­تواند مثبت یا منفی باشد. علاوه بر این، برهمکنش‌های بین حالت‌های برانگیخته بالاتر هر کیوبیت و حالت‌های جفت منجر به برهم‌کنش‌های ZZ مرتبه بالاتری می‌شود که با جداسازی کیوبیت نیز متفاوت است و می‌تواند علامت را تغییر دهد.

این تنوع در برهمکنش­­های ZZ و تبادل به خوبی با مدل‌های نظری همسو می‌شود و به تنظیم مقیاس‌های انرژی درهم‌تنیده از مقادیر بزرگ به صفر اجازه می‌دهد. پتانسیل گسترش این سیستم به بیش از دو کیوبیت در اطراف حلقه، آن را به یک پلت فرم امیدوارکننده برای کنترل درهم تنیدگی در آرایه­های کیوبیت بزرگ تبدیل می­کند.

More information: T. McBroom-Carroll et al, Entangling Interactions Between Artificial Atoms Mediated by a Multimode Left-Handed Superconducting  Ring Resonator, PRX Quantum (2024)