Ny forskning bringer forskere et skridt tættere på en fuldt fungerende kvantecomputer

Quantum computing har potentialet til at revolutionere teknologi, medicin, og videnskab ved at levere hurtigere og mere effektive processorer, sensorer, og kommunikationsudstyr.

Men at overføre information og rette fejl inden for et kvantesystem er fortsat en udfordring for at lave effektive kvantecomputere.

I et papir i journalen Natur , forskere fra Purdue University og University of Rochester, herunder John Nichol, en adjunkt i fysik, og Rochester Ph.D. studerende Yadav P. Kandel og Haifeng Qiao, demonstrere deres metode til at videregive information ved at overføre elektronernes tilstand. Forskningen bringer forskere et skridt tættere på at skabe fuldt funktionelle kvantecomputere og er det seneste eksempel på Rochesters initiativ til bedre at forstå kvanteadfærd og udvikle nye kvantesystemer. Universitetet modtog for nylig et tilskud på $4 millioner fra Department of Energy til at udforske kvantematerialer.

Kvantecomputere

En kvantecomputer opererer efter kvantemekanikkens principper, et unikt sæt regler, der styrer i den ekstremt lille skala af atomer og subatomære partikler. Når man beskæftiger sig med partikler i disse skalaer, mange af de regler, der styrer klassisk fysik, gælder ikke længere, og kvanteeffekter opstår; en kvantecomputer er i stand til at udføre komplekse beregninger, faktor ekstremt store tal, og simulere adfærden af ​​atomer og partikler på niveauer, som klassiske computere ikke kan.

Kvantecomputere har potentiale til at give mere indsigt i principper for fysik og kemi ved at simulere stofs adfærd under usædvanlige forhold på molekylært niveau. Disse simuleringer kan være nyttige til at udvikle nye energikilder og studere forholdene for planeter og galakser eller sammenligne forbindelser, der kan føre til nye lægemiddelterapier.

"Du og jeg er kvantesystemer. Partiklerne i vores krop adlyder kvantefysikken. Men, hvis du prøver at beregne, hvad der sker med alle atomerne i vores krop, du kan ikke gøre det på en almindelig computer, " siger Nichol. "En kvantecomputer kunne nemt gøre dette."

Kvantecomputere kunne også åbne døre for hurtigere databasesøgninger og kryptografi.

"Det viser sig, at næsten al moderne kryptografi er baseret på den ekstreme vanskelighed for almindelige computere at tage højde for store tal, ", siger Nichol. "Kvantecomputere kan nemt faktorisere store tal og bryde krypteringssystemer, så du kan forestille dig, hvorfor masser af regeringer er interesserede i dette."

Bits vs. qubits

En almindelig computer består af milliarder af transistorer, kaldet bits. kvantecomputere, på den anden side, er baseret på kvantebits, også kendt som qubits, som kan laves af en enkelt elektron. I modsætning til almindelige transistorer, som kan være enten "0" eller "1, " qubits kan være både "0" og "1" på samme tid. Evnen for individuelle qubits til at besætte disse "superpositionstilstande, "hvor de er samtidigt i flere tilstande, ligger til grund for kvantecomputeres store potentiale. Ligesom almindelige computere, imidlertid, kvantecomputere har brug for en måde at overføre information mellem qubits, og dette udgør en stor eksperimentel udfordring.

"En kvantecomputer skal have mange qubits, og de er virkelig svære at lave og betjene, ", siger Nichol. "Den nyeste teknologi gør lige nu noget med kun nogle få qubits, så vi er stadig langt væk fra at realisere det fulde potentiale af kvantecomputere."

Alle computere, inklusive både almindelige og kvantecomputere og enheder som smartphones, også nødt til at udføre fejlretning. En almindelig computer indeholder kopier af bits, så hvis en af ​​bits går dårligt, "resten vil bare tage en flertalsafstemning" og rette fejlen. Imidlertid, kvantebits kan ikke kopieres, Nichol siger, "så du skal være meget klog på, hvordan du retter for fejl. Det, vi gør her, er et skridt i den retning."

Manipulere elektroner

Kvantefejlkorrektion kræver, at individuelle qubits interagerer med mange andre qubits. Dette kan være svært, fordi en individuel elektron er som en stangmagnet med en nordpol og en sydpol, der kan pege enten op eller ned. Retningen af ​​polen - om nordpolen peger op eller ned, for eksempel - er kendt som elektronens magnetiske moment eller kvantetilstand.

Hvis visse slags partikler har det samme magnetiske moment, de kan ikke være på samme sted på samme tid. Det er, to elektroner i samme kvantetilstand kan ikke sidde oven på hinanden.

"Dette er en af ​​hovedårsagerne til noget som en øre, som er lavet af metal, falder ikke sammen af ​​sig selv, " siger Nichol. "Elektronerne skubber sig selv fra hinanden, fordi de ikke kan være det samme sted på samme tid."

Hvis to elektroner er i modsatte tilstande, de kan sidde oven på hinanden. En overraskende konsekvens af dette er, at hvis elektronerne er tæt nok på, deres stater vil skifte frem og tilbage i tiden.

"Hvis du har en elektron, der er oppe, og en anden elektron, der er nede, og du skubber dem sammen i den rigtige mængde tid, de vil bytte, " siger Nichol. "De skiftede ikke plads, men deres stater skiftede."

For at fremtvinge dette fænomen, Nichol og hans kolleger kølede en halvlederchip ned til ekstremt lave temperaturer. Ved at bruge kvanteprikker - halvledere i nanoskala - fangede de fire elektroner i en række, flyttede derefter elektronerne, så de kom i kontakt, og deres tilstande skiftede.

"Der er en nem måde at skifte tilstand mellem to naboelektroner, men gør det over lange afstande - i vores tilfælde, det er fire elektroner - kræver en masse kontrol og tekniske færdigheder, " siger Nichol. "Vores forskning viser, at dette nu er en levedygtig tilgang til at sende information over lange afstande."

Et første skridt

Transmission af en elektrons tilstand frem og tilbage over en række qubits, uden at flytte elektronernes position, giver et slående eksempel på de muligheder, som kvantefysikken tillader for informationsvidenskab.

"Dette eksperiment viser, at information i kvantetilstande kan overføres uden faktisk at overføre de individuelle elektronspin ned ad kæden, siger Michael Manfra, en professor i fysik og astronomi ved Purdue University. "Det er et vigtigt skridt for at vise, hvordan information kan overføres kvantemekanisk - på måder, der er helt anderledes end vores klassiske intuition ville få os til at tro."

Nichol sammenligner dette med de trin, der førte fra de første computerenheder til nutidens computere. Det sagt, vil vi alle en dag have kvantecomputere til at erstatte vores stationære computere? "Hvis du havde stillet det spørgsmål til IBM i 1960'erne, de ville nok have sagt nej der er ingen måde, det kommer til at ske, " siger Nichol. "Det er min reaktion nu. Men, hvem ved?"