Immunisering af kvantecomputere mod fejl

At opbygge en kvantecomputer kræver at regne med fejl - i mere end én forstand. Quantum bits, eller "qubits, "som kan antage de logiske værdier nul og en samtidigt, og dermed foretage beregninger hurtigere, er ekstremt modtagelige for forstyrrelser. Et muligt middel til dette er korrektion af kvantefejl, hvilket betyder, at hver qubit er repræsenteret redundant i flere kopier, sådan, at fejl kan detekteres og til sidst rettes uden at forstyrre den skrøbelige kvantetilstand i selve qubiten. Teknisk set, dette er meget krævende. Imidlertid, For flere år siden, et alternativt forslag foreslog at gemme oplysninger ikke i flere redundante qubits, men derimod i de mange oscillatoriske tilstande i en enkelt kvanteharmonisk oscillator. Forskningsgruppen for Jonathan Home, professor ved Institute for Quantum Electronics ved ETH Zürich, har nu indset sådan en qubit indkodet i en oscillator. Deres resultater er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Periodiske oscillerende tilstande

I hjemmets laboratorium, Ph.d. elev Christa Flühmann og hendes kolleger arbejder med elektrisk ladede calciumatomer, der er fanget af elektriske felter. Brug af passende valgte laserstråler, disse ioner afkøles til meget lave temperaturer, hvor deres svingninger i de elektriske felter, inden i hvilke ioner slush frem og tilbage som marmor i en skål, beskrives ved kvantemekanik som såkaldte bølgefunktioner. "På det tidspunkt, tingene bliver spændende, "siger Flühmann, hvem er førsteforfatter til Natur papir. "Vi kan nu manipulere ionernes oscillerende tilstande på en sådan måde, at deres position og momentumusikkerhed fordeles mellem mange periodisk arrangerede tilstande."

Her, "usikkerhed" refererer til Werner Heisenbergs berømte formel, der siger, at i kvantefysikken, produktet af måleusikkerheden ved en partikels position og hastighed (mere præcist:momentum) kan aldrig gå under et veldefineret minimum. For eksempel, manipulering af partiklen for at kende dens position meget godt - fysikere kalder dette "klemning" - kræver, at dens momentum bliver mindre sikker.

Reduceret usikkerhed

At presse en kvantetilstand på denne måde er, på egen hånd, kun af begrænset værdi, hvis målet er at foretage præcise målinger. Imidlertid, der er en smart vej ud:hvis, oven på klemningen, man forbereder en oscillerende tilstand, hvor partikelens bølgefunktion er fordelt over mange periodisk placerede positioner, måleusikkerheden for hver position og for den respektive momentum kan være mindre end Heisenberg ville tillade. Sådan en rumlig fordeling af bølgefunktionen - partiklen kan være flere steder på én gang, og kun en måling bestemmer, hvor man rent faktisk finder den - minder om Erwin Schrödingers berømte kat, som samtidig er død og levende.

Denne stærkt reducerede måleusikkerhed betyder også, at den mindste ændring i bølgefunktionen, for eksempel ved en vis ekstern forstyrrelse, kan bestemmes meget præcist og - i det mindste i princippet - korrigeres. "Vores erkendelse af de periodiske eller kamlignende oscillatoriske tilstande af ion er et vigtigt skridt i retning af en sådan fejldetektering, "Forklarer Flühmann." Desuden er vi kan forberede ionens vilkårlige tilstande og udføre alle mulige logiske operationer på den. Alt dette er nødvendigt for at bygge en kvantecomputer. I et næste trin vil vi kombinere det med fejlregistrering og fejlkorrektion. "

Applikationer i kvantesensorer

Et par eksperimentelle forhindringer skal overvindes undervejs, Flühmann indrømmer. Calciumionen skal først kobles til en anden ion ved elektriske kræfter, så den oscillerende tilstand kan aflæses uden at ødelægge den. Stadig, selv i sin nuværende form er metoden for ETH -forskerne af stor interesse for applikationer, Flühmann forklarer:"På grund af deres ekstreme følsomhed over for forstyrrelser, disse oscillerende tilstande er et fantastisk værktøj til at måle små elektriske felter eller andre fysiske størrelser meget præcist. "