Forskare inom kvantteknologi på Chalmers har lyckats utveckla en teknik för att skapa och kontrollera kvanttillstånd för ljuspartiklar i ett tredimensionellt hålrum. Förutom att skapa tidigare kända tillstånd är forskarna de första någonsin som lyckats få ljus att uppnå det eftertraktade ”cubic phase state”.
Genombrottet är ett viktigt steg på vägen mot effektiv felkorrigering hos kvantdatorer.
− Vi har visat att vår teknik kan mäta sig med de bästa i världen, säger Simone Gasparinetti som är forskningsledare inom experimentell kvantfysik och en av studiens seniora författare.
Precis som en konventionell dator bygger på bits som kan anta värdet 0 eller 1, innebär den vanligaste metoden för att bygga en kvantdator ett liknande tillvägagångssätt. Kvantmekaniska system med två olika kvanttillstånd – så kallade kvantbitar - används som byggstenar. Ett av kvanttillstånden tilldelas värdet 0 och det andra värdet 1. Men tack vare det kvantmekaniska tillståndet superposition kan kvantbitarna anta både tillståndet 0 och 1 samtidigt, något som gör det möjligt för en kvantdator att hantera enorma mängder information och potentiellt lösa problem som är långt mer komplexa än vad dagens superdatorer klarar.
Lyckades uppnå eftertraktat kvanttillstånd
En stor utmaning på vägen mot att bygga en praktiskt användbar kvantdator är att kvantmekaniska system är känsliga för störningar och brus, vilket leder till fel. Att hitta metoder för att korrigera felen är därför av högsta vikt, och en lovande teknik är att ersätta kvantbitarna med resonatorer - kvantmekaniska system som i stället för två definierade tillstånd kan ha ett mycket stort antal. Tillstånden går att liknas vid en gitarrsträng som kan vibrera på många olika sätt.
Metoden kallas continuous-variable quantum computing och gör det möjligt att koda värdena 0 och 1 i resonatorns många kvantmekaniska tillstånd. Men att kontrollera alla dessa tillstånd är en utmaning som kvantforskare över hela världen brottas med. Och resultaten från Chalmers innebär ett sätt att göra just detta. Med en och samma teknik kan forskarna skapa samtliga tidigare demonstrerade kvanttillstånd för ljus, som till exempel Schrödinger’s cat och Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP), samt cubic phase state, ett tillstånd som tidigare endast beskrivits i teorin.
− Cubic phase state är något som många kvantforskare har försökt skapa i praktiken i tjugo år. Att vi nu har lyckats göra det för första gången visar hur väl vår teknik fungerar. Men det viktigaste framsteget är att det finns så många tillstånd med varierande komplexitet och att vi har hittat en gemensam teknik för att skapa samtliga, säger Marina Kudra, doktorand på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap och studiens försteförfattare.
Komplicerade grindar blev snabbare
Marina Kudras kvantmekaniska system är ett supraledande* tredimensionellt hålrum – en resonator – av aluminium. Komplexa superpositioner hos fotoner genereras inuti resonatorn genom interaktion med ytterligare en supraledande krets.
Fotonernas kvantmekaniska egenskaper kontrolleras genom en sekvens av elektromagnetiska pulser som kallas grindar. Forskarna lyckades först med att använda en algoritm för att optimera en specifik, kort sekvens av enkla (displacement gates) och svåra (SNAP-gates) grindar för att generera tillstånden hos fotonerna. När det visade sig att de svåra grindarna var för långa, hittade forskarna ett sätt att göra dem kortare genom optimal kontroll* av de elektromagnetiska pulserna.
− De drastiska förbättringarna i hastigheten hos våra SNAP-grindar gjorde det möjligt att mildra effekterna av dekoherensen* så mycket att vår teknologi kunde ta ett stort steg framåt. Vi har visat att vi har full kontroll över vårt kvantmekaniska system, säger Simone Gasparinetti.
Eller med andra, mer poetiska ord:
− Jag har fångat ljus på en plats där det trivs och fått det att anta otroligt vackra former, säger Marina Kudra.
En av förutsättningarna för att åstadkomma resultatet har varit hög kvalitet i det fysiska systemet (själva resonatorn i aluminium och den supraledande kretsen). Marina Kudra har tidigare visat hur hålrummet av aluminium skapas genom att först fräsas, och sedan göras extremt rent genom att bland annat hettas upp till 500 grader och tvättas med syra och lösningsmedel. Elektroniken som applicerar de elektromagnetiska pulserna i resonatorn utvecklades i samarbeten med det svenska företaget Intermodulation Products.
Del av forskningsprogrammet WACQT
Forskningen har bedrivits på Chalmers inom ramarna för Wallenberg Center för Quantum Technology (WACQT), ett omfattande forskningsprogram vars syfte är att göra svensk forskning och industri ledande inom kvantteknologi. Satsningen leds av professor Per Delsing och ett huvudsakligt mål är att utveckla en kvantdator.
− På Chalmers finns hela kedjan för att bygga en kvantdator, från teori till experiment, under samma tak och vi har en lång tradition av nära samarbete mellan teoretisk och tillämpad kvantfysik. En effektiv felkorrigering är en flaskhals för utvecklingen av storskaliga kvantdatorer, och vårt framsteg är ett styrkebesked för vår kultur och vårt sätt att arbeta, säger Per Delsing.
Artikeln "Robust Preparation of Wigner-Negative States with Optimized SNAP-Displacement Sequences" har publicerats i tidskriften PRX Quantum och är skriven av Marina Kudra, Mikael Kervinen, Ingrid Strandberg, Shahnawaz Ahmed, Marco Scigliuzzo, Amr Osman, Daniel Pérez Lozano, Mats O. Tholén, Riccardo Borgani, David B. Haviland, Giulia Ferrini, Jonas Bylander, Anton Frisk Kockum, Fernando Quijandría, Per Delsing, och Simone Gasparinetti.
Ordlista
Foton - ljuspartikel
Supraledning - i supraledande material transporteras elektrisk ström utan några energiförluster. Magnetfält kan inte tränga igenom en supraledare.
Dekoherens - störningar som får en superposition av avta och kollapsa.
Optimal kontroll - en gren inom matematik för att hitta sätt att kontrollera ett dynamiskt system över tid så att en funktion optimeras.
- Forskarassistent, Kvantteknologi, Mikroteknologi och nanovetenskap