Kvanteteknologi når hidtil uset kontrol over optaget lys

Det er lykkedes forskere i kvanteteknologi på Chalmers Tekniske Universitet at udvikle en teknik til at styre kvantetilstande af lys i et tredimensionelt hulrum. Ud over at skabe tidligere kendte tilstande er forskerne de første nogensinde til at demonstrere den længe søgte kubiske fasetilstand. Gennembruddet er et vigtigt skridt mod effektiv fejlkorrektion i kvantecomputere.

"Vi har vist, at vores teknologi er på niveau med den bedste i verden," siger Simone Gasparinetti, der er leder af en forskergruppe i eksperimentel kvantefysik på Chalmers og en af ​​undersøgelsens seniorforfattere.

Ligesom en konventionel computer er baseret på bits, der kan tage værdien 0 eller 1, bruger den mest almindelige metode til at bygge en kvantecomputer en lignende tilgang. Kvantemekaniske systemer med to forskellige kvantetilstande, kendt som kvantebits (qubits), bruges som byggesten. En af kvantetilstandene tildeles værdien 0 og den anden værdien 1. Men på grund af den kvantemekaniske superpositionstilstand kan qubits antage både tilstande 0 og 1 samtidigt, hvilket gør det muligt for en kvantecomputer at behandle enorme mængder data med muligheden for at løse problemer langt uden for rækkevidde af nutidens supercomputere.

Første gang nogensinde for kubisk fasetilstand

En stor hindring for realiseringen af ​​en praktisk anvendelig kvantecomputer er, at de kvantesystemer, der bruges til at kode informationen, er tilbøjelige til støj og interferens, som forårsager fejl. At rette disse fejl er en central udfordring i udviklingen af ​​kvantecomputere. En lovende tilgang er at erstatte qubits med resonatorer - kvantesystemer, som i stedet for kun at have to definerede tilstande, har et meget stort antal af dem. Disse tilstande kan sammenlignes med en guitarstreng, som kan vibrere på mange forskellige måder. Metoden kaldes kontinuert-variabel kvanteberegning og gør det muligt at indkode værdierne 1 og 0 i flere kvantemekaniske tilstande af en resonator.

At kontrollere tilstanden af ​​en resonator er imidlertid en udfordring, som kvanteforskere over hele verden kæmper med. Og resultaterne fra Chalmers giver en måde at gøre det på. Teknikken udviklet på Chalmers gør det muligt for forskere at generere stort set alle tidligere påviste kvantetilstande af lys, såsom for eksempel Schrödingers kat eller Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) tilstande, og kubisk fasetilstand, en tilstand, der tidligere kun er beskrevet i teorien.

"Kubisk fasetilstand er noget, som mange kvanteforskere har forsøgt at skabe i praksis i tyve år. At vi nu har formået at gøre dette for første gang, er en demonstration af, hvor godt vores teknik fungerer, men det vigtigste fremskridt er, at der er så mange tilstande af varierende kompleksitet, og vi har fundet en teknik, der kan skabe en hvilken som helst af dem," siger Marina Kudra, ph.d.-studerende ved Institut for Mikroteknologi og Nanovidenskab og undersøgelsens hovedforfatter.

Forbedring af porthastighed

Resonatoren er et tredimensionelt superledende hulrum lavet af aluminium. Komplekse superpositioner af fotoner fanget inde i resonatoren genereres ved interaktion med et sekundært superledende kredsløb.

Fotonernes kvantemekaniske egenskaber styres ved at anvende et sæt elektromagnetiske impulser kaldet porte. Forskerne lykkedes først med at bruge en algoritme til at optimere en specifik sekvens af simple forskydningsporte og komplekse SNAP-gates til at generere fotonernes tilstand. Da de komplekse porte viste sig at være for lange, fandt forskerne en måde at gøre dem kortere på ved hjælp af optimale kontrolmetoder for at optimere de elektromagnetiske impulser.

"Den drastiske forbedring i hastigheden af ​​vores SNAP-porte gjorde det muligt for os at afbøde virkningerne af dekohærens i vores kvantecontroller, og skubbede denne teknologi et skridt fremad. Vi har vist, at vi har fuld kontrol over vores kvantemekaniske system," siger Simone Gasparinetti.

Eller, for at sige det mere poetisk:

"Jeg fangede lys et sted, hvor det trives, og formede det i nogle virkelig smukke former," siger Marina Kudra.

Achieving this result was also dependent on the high quality of the physical system (the aluminum resonator itself and the superconducting circuit.) Marina Kudra has previously shown how the aluminum cavity is created by first milling it, and then making it extremely clean by methods including heating it to 500 degrees Centigrade and washing it with acid and solvent. The electronics that apply the electromagnetic gates to the cavity were developed in collaboration with the Swedish company Intermodulation Products.

Research part of WACQT research program

The research was conducted at Chalmers within the framework of the Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT), a comprehensive research program, the aim of which is to make Swedish research and industry leaders in quantum technology. The initiative is led by Professor Per Delsing and a main goal is to develop a quantum computer.

"At Chalmers we have the full stack for building a quantum computer, from theory to experiment, all under one roof. Solving the challenge of error correction is a major bottleneck in the development of large-scale quantum computers, and our results are proof for our culture and ways of working," says Per Delsing. + Explore further

Quantum computer works with more than zero and one