Fejlrettelse i kvanteverdenen

Sebastian Krinner er den første vinder af Lopez-Loreta-prisen ved ETH Zürich. Fysikeren har et klart mål:han vil bygge en kvantecomputer, der ikke kun er kraftfuld, men fungerer også uden fejl.

"Her, helt i bunden af ​​denne hvide beholder, er kredsløbene, " forklarer Sebastian Krinner med tydelig stolthed, efter at have guidet den besøgende gennem det store rum fyldt med højteknologisk udstyr. Fysikeren har sat sit eksperiment op bagerst i Quantum Device Lab - og han vil sandsynligvis bruge utallige arbejdstimer her i de kommende år. Trods alt, i år er Krinner den første modtager af den prestigefyldte Lopez-Loreta-pris, hvilket vil sætte ham i stand til at skubbe sit projekt på ETH Zürich i løbet af de næste par år.

Følsomme kvantetilstande

Krinner forfølger en ambitiøs opgave. Som seniorforsker i Andreas Wallraffs forskningsgruppe, han sigter mod at bringe udviklingen af ​​kvantecomputere et stort skridt videre. "Når det kommer til kvantecomputere, Målet er normalt at kontrollere så mange qubits som muligt, " forklarer han. "Men folk glemmer ofte, at qubits ikke fungerer fejlfrit som bærere af kvanteinformation." De skrøbelige kvantetilstande kan afbrydes ret nemt, lader unøjagtigheder og forkerte oplysninger snige sig ind i beregninger.

Så hvordan kan denne fejlrate holdes så lav som muligt? Krinner har til formål at vise, at dette kan opnås ved hjælp af logiske qubits. En logisk qubit omfatter flere indbyrdes forbundne qubits, der arbejder sammen som en enkelt qubit, men på en mere stabil måde og dermed mindre tilbøjelig til at fejle.

Kompleks forsøgsopstilling

Imidlertid, det er lettere sagt end gjort. Først, de enkelte qubits skal allerede have en høj grad af pålidelighed, før de kan sammenkobles. Hvis de har en fejlrate på mere end én procent, forbindelsen til en logisk qubit er faktisk kontraproduktiv - fejlraten ville så stige i stedet for at falde. Ud over, qubits skal forbindes i et meget lille rum. Styringen af ​​de flade kvantemekaniske elementer bliver dermed meget mere udfordrende.

Krinner arbejder i øjeblikket på at forbinde nogle få qubits til logiske qubits og eksperimentelt verificere deres adfærd. I den hvide beholder, hjertet af hans testsystem, qubits afkøles til ufatteligt lave temperaturer på blot nogle få millikelvin – med andre ord, næsten til det absolutte nul. Fastgjort til en futuristisk udseende konstruktion og styret via adskillige fine koaksialkabler, qubits er derefter kvantemekanisk forbundet til den ønskede form.

En klar vision

Kvantefysikkens verden har fascineret Krinner, siden han begyndte at studere fysik i Regensburg og Paris. Han har været i stand til at arbejde med en lang række forskellige systemer i løbet af sin tid på ETH. Som ph.d.-kandidat under Tilman Esslinger, han arbejdede med ultrakolde atomer som kvantemekaniske objekter, der fanges og afkøles i laserfælder. Under Wallraff, han arbejder nu med superledende kredsløb, som han er i stand til at vise på sit skrivebord til demonstrationsformål. "Der sker meget i denne type arbejde, " forklarer Krinner. "Jeg nyder virkelig variationen." Fra det teoretiske arbejde til planlægning og gennemførelse af eksperimenter, samt konstruktion af komplekse eksperimentelle test og fremstilling af kvantemekaniske kredsløb i renrumslaboratoriet – rækken af ​​opgaver, forskeren skal mestre, er bred.

Men Krinner har en klar vision:Hvis udviklingen af ​​logiske qubits forløber som planlagt, han sigter mod at inkorporere disse i en mere kraftfuld kvantecomputer til anden del af sit projekt. "Kvantecomputere har et stort teknisk potentiale, da de er i stand til at løse komplekse og tidskrævende beregningsopgaver meget mere effektivt end konventionelle computere, " forklarer Krinner. "De er også meget inspirerende fra et videnskabeligt perspektiv, da udviklingen af ​​disse maskiner giver os mange nye indsigter i, hvordan fysik fungerer på disse områder." Krinner har stadig masser af grundarbejde at dække, før han kan føre sin vision ud i livet. Stadig, Lopez-Loreta-prisen giver ham mulighed for at udpege to ph.d.-kandidater til at give hans projekt et ekstra løft.