Længste mikrobølgekvantelink

Fysikere ved ETH Zürich har demonstreret en fem meter lang mikrobølgekvanteforbindelse, den længste af sin slags til dato. Det kan bruges både til fremtidige kvantecomputernetværk og til eksperimenter i grundlæggende kvantefysisk forskning.

Samarbejde er alt – også i kvanteverdenen. At bygge kraftfulde kvantecomputere i fremtiden, det vil være nødvendigt at forbinde flere mindre computere for at danne en slags klynge eller lokalt netværk (LAN). Da disse computere arbejder med kvantemekaniske mekaniske superpositionstilstande, som indeholder de logiske værdier "0" og "1" på samme tid, forbindelserne mellem dem bør også være "kvanteforbindelser".

Det længste sådanne link til dato baseret på mikrobølger, fem meter lang, blev for nylig bygget i Andreas Wallraffs laboratorium, professor ved Quantum Device Lab ved ETH Zürich. Forskerne skulle efter planen præsentere deres resultater om det på det årlige møde i American Physical Society i Denver. På grund af situationen med COVID-19-epidemien, denne konference blev aflyst med kort varsel. I stedet, forskerne rapporterer nu deres resultater på en virtuel erstatningskonference.

"Det er virkelig en milepæl for os, Wallraff forklarer, "siden nu kan vi vise, at kvante-LAN'er i princippet er mulige. I de næste 10 til 20 år, kvantecomputere vil sandsynligvis i stigende grad stole på dem." I øjeblikket er der computere med et par dusin kvantebits eller qubits, men flere hundrede tusinde af dem er næsten umulige at rumme i eksisterende enheder. En grund til dette er, at qubits baseret på superledende elektriske oscillatorer, såsom dem, der bruges i kvantechips i Wallraffs laboratorium (og også af IBM og Google), skal køles ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt på -273, 15 grader celsius. Dette undertrykker termiske forstyrrelser, der ville få kvantetilstandene til at miste deres superpositionsegenskaber - dette er kendt som dekohærens - og derfor opstår fejl i kvanteberegningerne.

Ekstrem kulde mod dekoherens

"Udfordringen var at forbinde to af disse superledende kvantechips på en sådan måde, at de kunne udveksle superpositionstilstande mellem dem med minimal dekohærens, "siger Philipp Kurpiers, en tidligere ph.d. elev i Wallraffs gruppe. Dette sker ved hjælp af mikrobølgefotoner, der udsendes af en superledende oscillator og modtages af en anden. Ind i mellem, de flyver gennem en bølgeleder, som er et metalhulrum på få centimeter i bredden, som også skal afkøles kraftigt, så fotonernes kvantetilstande ikke påvirkes.

Hver af kvantechipsene køles ned over flere dage i en kryostat (et ekstremt kraftigt køleskab), ved hjælp af komprimeret og også flydende helium, til et par hundrededele af en grad over det absolutte nulpunkt. Til det formål, den fem meter lange bølgeleder, der skaber kvanteforbindelsen, var udstyret med en skal bestående af flere lag kobberplade. Hvert af disse ark fungerer som et varmeskærm til kryostatens forskellige temperaturfaser:-223 grader, -269 grader, -272 grader og endelig -273, 1 grader. Alt i alt, disse varmeskjolde alene vejer omkring et kvart ton.

Intet "table-top" eksperiment

"Så, dette er bestemt ikke et "table-top" eksperiment længere, som man kan sætte sammen på et lille arbejdsbord, " siger Wallraff. "Der er gået meget udviklingsarbejde i dette, og ETH er et ideelt sted at bygge et så ambitiøst apparat. Det er en slags mini-CERN, som vi først skulle bygge over flere år for nu at kunne lave interessante ting med det.« Udover de tre ph.d.-studerende, der udførte forsøgene, flere ingeniører og teknikere, også i workshops på ETH og på Paul Scherrer Institute (PSI), var involveret i at producere og konstruere kvanteleddet.

Fysikerne på ETH viste ikke kun, at kvanteforbindelsen kan køles tilstrækkeligt ned, men også at det faktisk kan bruges til pålideligt at transmittere kvanteinformation mellem to kvantechips. For at demonstrere dette, de skabte en sammenfiltret tilstand mellem de to chips via kvanteforbindelsen. Sådanne indviklede stater, hvor måling af en qubit øjeblikkeligt påvirker resultatet af en måling på den anden qubit, kan også bruges til test i basal kvanteforskning. I disse "klokketests, "Qubits skal være langt nok fra hinanden, så enhver informationsoverførsel med lysets hastighed kan udelukkes.

Mens Wallraff og hans samarbejdspartnere udfører eksperimenter med det nye link, de er allerede begyndt at arbejde på endnu længere kvantelinks. Allerede for et år siden var de i stand til at køle en ti meter lang forbindelse tilstrækkeligt ned, men uden at lave nogle kvanteeksperimenter med det. Nu arbejder de på en 30 meter lang kvanteforbindelse, hvortil et lokale på ETH er specielt forberedt.