”Gigantiska superatomer” ger ny verktygslåda för kvantdatorer

Inom en snar framtid tros kvantdatorernas enorma beräkningskraft kunna revolutionera flera grundläggande teknologier inom exempelvis läkemedelsutveckling och kryptering. Men kvantberäkningarnas inträde i samhället hindras än så länge av en rad utmaningar.

En betydande sådan handlar om dekoherens, det vill säga kvantbitarnas tendens att förlora information så snart de växelverkar med sin omgivning. Minsta elektromagnetiska störning eller brus kan då förstöra de kvanteffekter som teknologin bygger på.

– Kvantsystem är oerhört kraftfulla, men också extremt känsliga. Nyckeln till pålitlig lagring, manipulering och överföring av kvantinformation är att kunna kontrollera hur kvanteffekterna samverkar med omgivningen, säger Lei Du, postdoktoral forskare i tillämpad kvantfysik på Chalmers.

Han är huvudförfattare till en vetenskaplig artikel som presenterar den teoretiska modellen för ett helt nytt kvantsystem som ett forskarlag på Chalmers har tagit fram. Det består av ett koncept som forskarna introducerar i artikeln, med benämningen gigantiska superatomer. Kvantsystemet sammanfogar flera viktiga egenskaper: det är dekoherens-dämpande och stabilt, och består samtidigt av flera tätt sammanlänkade ”atomer” som samarbetar.

Gigantiska superatomer är en kombination av två olika kvantmekaniska konstruktioner som har utforskats var för sig under senare år, men som inte kombinerats tidigare; gigantiska atomer och superatomer. De beter sig om atomer, men är inte naturliga atomer utan artificiella strukturer som fysiker idag har lärt sig att konstruera (se faktaruta nedan).

Gigantiska atomer med kvantmekaniskt eko

Begreppet gigantiska atomer myntades av Chalmersforskare för drygt tio år sedan och har sedan dess blivit en standardterm inom området. En gigantisk atom utformas oftast som en kvantbit, det vill säga den minsta enheten för kvantinformation. Den har flera separerade kopplingspunkter till en ljus- eller ljudvåg och kan därmed växelverka med sin omgivning på flera olika platser samtidigt. Det innebär att den gigantiska atomen skapar ett skydd för kvantinformationen.

– Vågor som lämnar en kopplingspunkt kan färdas genom omgivningen och sedan komma tillbaka och växelverka med atomen vid en annan punkt, ungefär som när man hör ett eko av sin egen röst innan man har slutat tala. Den här förmågan att kunna samverka med sina egna signaler skapar i sin tur väldigt attraktiva kvanteffekter, eftersom det dämpar dekoherens och gör att systemet kan behålla ett slags minne av tidigare interaktioner, förklarar Anton Frisk Kockum, universitetslektor i tillämpad kvantfysik på Chalmers och medförfattare till artikeln.

Kan sprida sammanflätning över stora avstånd

Men även om gigantiska atomer redan har bidragit till nya kunskaper inom kvantfysiken har deras möjlighet att utnyttja en annan viktig kvanteffekt – sammanflätning – hittills varit begränsad. Sammanflätning innebär att flera kvantbitar delar samma kvanttillstånd och fungerar som ett gemensamt system, något som är avgörande för att bygga stora och kraftfulla kvantdatorer.

Detta problem har forskarna löst genom att kombinera de gigantiska atomerna med superatom-konceptet. En superatom är en struktur bestående av flera naturliga atomer som har ett gemensamt kvanttillstånd, och tillsammans beter sig som en enda större atom.

Kombinationen förväntas nu göra det lättare att skapa avancerade kvanttillstånd som är viktiga för framtida kvantkommunikation, kvantnätverk och mycket känsliga sensorer.

– Man kan tänka sig en gigantisk superatom som flera gigantiska atomer som arbetar tillsammans som om de vore en enda och som uppvisar en interaktion mellan ljus och materia som inte bara är lokal. Det gör det möjligt att lagra och styra kvantinformation från flera kvantbitar i en och samma enhet, utan att behöva bygga mer komplicerade kopplingar runt omkring, förklarar Lei Du.

– Med gigantiska superatomer kan vi få ut effekter som ger oss en helt ny verktygslåda. Vi kan styra kvantinformation och skapa sammanflätning på sätt som tidigare varit mycket svåra, eller till och med omöjliga, säger Janine Splettstoesser, professor i tillämpad kvantfysik på Chalmers och medförfattare till artikeln.

Ett viktigt steg mot skalbara kvantdatorer

Resultaten innebär nya möjligheter att bygga kvantsystem som både kan växa i storlek och fungera pålitligt, och framöver vill forskarna gå vidare från teori till tillverkning av kvantsystemet. Deras koncept skulle även kunna användas i kombination med andra typer av kvantsystem, till exempel som en byggsten för sammankoppling av flera system.

– Idag finns ett starkt intresse för hybrida metoder där flera kvantsystem samarbetar, eftersom olika system har olika styrkor, säger Anton Frisk Kockum. Vår forskning visar att man kan minska behovet av mer komplicerad hårdvara med smart design, och gigantiska superatomer för oss ett steg närmare kvantteknik som kan användas i praktiken.

Mer om: Metoderna för att skydda, styra och sprida kvantinformation

Chalmersforskarnas studie visar hur de gigantiska superatomernas samverkan med ljus beror på vilket internt kvanttillstånd de befinner sig i. Det ger i sin tur forskarna större kontroll över hur kvantinformation rör sig i systemet, och de presenterar två olika sätt att koppla ihop atomerna för att skapa mycket användbara effekter.

I den ena konfigurationen kopplas flera gigantiska superatomer tätt samman på ett specifikt sätt. Då kan de överföra sitt kvanttillstånd till varandra utan dekoherens, alltså utan att information går förlorad.

I den andra placeras atomerna längre ifrån varandra, men med kopplingar som är noggrant matchade så att ljus- eller ljudvågorna hamnar i fas. Då kan de skicka kvantsignaler i bestämda riktningar, vilket gör det möjligt att sprida sammanflätning över stora avstånd.

Mer om: Kvantfysikens superatomer och gigantiska atomer

Superatomer och gigantiska atomer är inte naturliga atomer, utan artificiella strukturer som beter sig som atomer.

Ordet superatom hänvisar till en kvantmekanisk konstruktion bestående av flera atomer, som tillsammans beter sig som en enda större atom. De har ett gemensamt kvanttillstånd och svarar på ljus som om de vore en enda kvantenhet.

Begreppet gigantisk atom syftar på en struktur med flera separerade kopplingspunkter till en ljus- eller ljudvåg. Den kallas ”gigantisk” eftersom den – till skillnad från naturliga atomer – är större än våglängden hos ljuset som den interagerar med.

Gigantiska atomer har specifika energinivåer och utgår från kvantmekanikens principer, men kan vara upp emot millimeterstora – och alltså synliga för blotta ögat. Genom elektromagnetiska vågor eller ljudvågor har de förmågan att växelverka med sin omgivning på flera rumsligt separerade platser samtidigt. Man kan föreställa sig en enda atom som är ”inkopplad” i en ljus- eller ljudvåg på flera, sinsemellan avlägsna, punkter. Denna ovanliga koppling gör att atomen kan påverkas av sina egna utsända vågor.

Mer om studien:

Artikeln Dressed Interference in Giant Superatoms: Entanglement Generation and Transfer har publicerats i tidskriften Physical Review Letters.
Författarna är Lei Du, Anton Frisk Kockum och Janine Splettstoesser, verksamma vid Chalmers tekniska högskola, samt Xin Wang, verksam vid Xi’an Jiaotong University, Kina.

Forskningsprojektet har finansierats av National Natural Science Foundation of China (NSFC), Stiftelsen för strategisk forskning, EU:s forsknings- och innovationsprogram Horizon Europe, samt av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse genom Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT) och genom ett individuellt Wallenberg Academy Fellowship.