Livet på kanten i kvanteverdenen

Kvantfysik sætter de love, der dominerer universet i lille skala. Evnen til at udnytte kvantefænomener kan føre til maskiner som kvantecomputere, som forventes at udføre bestemte beregninger meget hurtigere end konventionelle computere. Et stort problem med at bygge kvanteprocessorer er, at sporing og styring af kvantesystemer i realtid er en vanskelig opgave, fordi kvantesystemer er overvældende skrøbelige:Manipulering af disse systemer introducerer uforsigtigt betydelige fejl i det endelige resultat. Nyt arbejde fra et team hos Aalto kan føre til præcise kvantecomputere.

Forskerne rapporterer om at kontrollere kvantefænomener i et specialdesignet elektrisk kredsløb kaldet en transmon. Afkøling af en transmon -chip til inden for et par tusindedele af en grad over det absolutte nul fremkalder en kvantetilstand, og chippen begynder at opføre sig som et kunstigt atom. Et af de kvanteegenskaber, der interesserer forskere, er, at transmonens energi kun kan tage bestemte værdier, kaldes energiniveauer. Energiniveauerne er som trin på en stige:En person, der bestiger stigen, skal indtage et trin, og kan ikke svæve et sted mellem to trin. Ligeledes, transmon -energien kan kun optage de indstillede værdier for energiniveauerne. Lysende mikrobølger på kredsløbet får transmonen til at absorbere energien og klatre op af stigerne.

I arbejde offentliggjort 8. februar i tidsskriftet Videnskab fremskridt , gruppen fra Aalto University ledet af Docent Sorin Paraoanu, universitetslektor i Institut for Anvendt Fysik, har fået transmonen til at springe mere end ét energiniveau på en gang. Tidligere har dette har kun været muligt ved meget forsigtige og langsomme justeringer af mikrobølgesignalerne, der styrer enheden. I det nye værk, et ekstra mikrobølgestyringssignal formet på en meget specifik måde tillader en hurtig, præcis ændring af energiniveauet. Dr. Antti Vepsäläinen, hovedforfatteren, siger, "Vi har et ordsprog i Finland:'hiljaa hyvää tulee' (gør det langsomt). Men det lykkedes os at vise, at ved løbende at rette systemets tilstand, vi kan drive denne proces hurtigere og i høj kvalitet. "

Dr. Sergey Danilin, en af ​​medforfatterne, beskriver kvantestyring - processen med at bruge chips som transmoner til at bygge kvantecomputere - ved at udvide analogen med "klatring på en stige". "For at få et nyttigt kvantesystem, du skal forestille dig at klatre på en stige, mens du holder et glas vand - det virker, hvis man gør det problemfrit, men hvis du gør det for hurtigt, vandet spilder. Sikkert, dette kræver en særlig dygtighed. "

Forskerne fandt ud af, at i kvanteverdenen tricket til hurtigt at bestige stigen uden at spilde vand er ved omhyggeligt at springe to trin ad gangen. Denne genvej til energistigen blev opnået ved at få transmonen til at absorbere to mikrobølgefotoner på samme tid. Naturlovene sætter en begrænsning for, hvor hurtigt enhver kvanteenergiskift kan forekomme, selv med genveje, en begrænsning kaldet "kvantehastighedsgrænsen". Til deres glæde, Aalto -forskerne fandt ud af, at deres nye metode resulterede i ændringer i energiniveauet, der fandt sted ved hastigheder, der var tæt på denne teoretisk beregnede grænse.

Den større effekt af at kontrollere højhastighedsoverførsler i kvantesystemer er også spændende for teamet. Af potentielt stor betydning er kvanteberegning og kvantesimuleringsapplikationer, hvilket kræver hurtige og yderst robuste operationer såsom statsforberedelse og oprettelse af kvanteporte. Dr. Paraoanu ser andre muligheder, også:"Vi vil gerne dybere forstå processerne i forbindelse med energioverførsel, som er allestedsnærværende i den naturlige verden og i den teknologi, der omgiver os. For eksempel, er der nogen grundlæggende grænser for, hvor hurtigt vi kan oplade batteriet i en elbil? "I det hurtigt udviklende område inden for kvanteteknologier, det er muligt, at denne nye kontrolmetode vil finde flere applikationer.