Bild på forskningen.
Två supraledande kvantbitar som bildar jätteatomer genom att koppla till en vågledare i flera punkter. Dessa ”atomer” är skyddade från energiförluster till vågledaren, men kan ändå kommunicera med varandra genom vågledaren. Illustration: Philip Krantz, Krantz NanoArt

Jätteatomer förenar kvantberäkningar och -kommunikation

Forskare på Chalmers tekniska högskola i Sverige och MIT i USA, med flera, har upptäckt en ny arkitektur som gör det möjligt att både utföra kvantberäkningar och kommunicera kvantinformation mellan avlägsna delar av kvantprocessorn med små förluster. Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nature.
Bild på Anton Frisk Kockum.– Vi visar att kvantbitar kan kommunicera genom en vågledare utan att kvantinformationen går förlorad, säger Anton Frisk Kockum (till höger), forskare vid avdelningen för tillämpad kvantfysik på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, på Chalmers, och en av författarna till artikeln.

En utmaning för att skala upp kvantdatorer är att möjliggöra kommunikation mellan kvantbitar som är långt ifrån varandra. Att koppla kvantbitar till en lång vågledare är vanligtvis skadligt för kvantberäkningar eftersom det då uppstår en kanal där kvantinformation kan läcka ut. Lösningen som forskarna fann var att använda "jätteatomer"; en ny regim av interaktion mellan ljus och materia.
– Naturliga atomer är vanligtvis mycket mindre än våglängden för ljuset de interagerar med. Men ett experiment i professor Per Delsings grupp på Chalmers 2014 visade att en konstgjord atom tillverkad av supraledande kretsar kan ansluta till en vågledare i flera punkter med våglängders avstånd emellan, förklarar Anton Frisk Kockum.
Han fortsätter:
– När vi beräknade hur två sådana jätteatomer skulle bete sig, fann vi att interferenseffekter på grund av utsläpp från flera kopplingspunkter kan förhindra att atomerna läcker energi till vågledaren, men låter dem ändå prata med varandra via vågledaren. Det här kunde vi nu demonstrera i samarbete med MIT.

Forskarna använde jätteatomernas interferenseffekter för att visa både att de enskilda atomerna både kunde skyddas från att förlora kvantinformation i vågledaren och att de två atomerna kunde sammanflätas med 94-procentig exakthet.
Det är första gången som man har kunnat fastställa en exakthetsgrad för en operation med två kvantbitar starkt kopplade till en vågledare.
– Exaktheten skulle bli låg om kvantbitarna inte var så här stora, säger Anton Frisk Kockum.

Förmågan att utföra högkvalitativa kvantberäkningar på kvantbitar kopplade till en vågledare skapar spännande nya möjligheter:
– Det är nu möjligt att förbereda ett komplext kvanttillstånd i kvantbitarna medan de är skyddade från energiförluster. Interferenseffekten i jätteatomerna kan sedan justeras för att aktivera kopplingen till vågledaren och avge det här kvanttillståndet, i form av fotoner som kan färdas långt, säger Anton Frisk Kockum.

Studien är ett samarbete mellan forskare från Chalmers, som stått för den teoretiska delen, MIT och forskningsinstitutet RIKEN i Japan. Från Chalmers bidrog Anton Frisk Kockum.

Forskningsprojektet finansieras av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och Vetenskapsrådet. Experimenten utfördes vid Research Laboratory for Electronics på MIT.

Foto på Anton Frisk Kockum: Michael Nystås
Illustration: Philip Krantz, Krantz NanoArt

Kontakt:
Anton Frisk Kockum, forskare, avdelningen för tillämpad kvantfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, anton.frisk.kockum@chalmers.se
 
Läs artikeln i Nature >>>
Waveguide quantum electrodynamics with superconducting giant artificial atoms

Läs mer >>>
Om forskningsprojektet

Om tidigare resultat >>>
Propagating phonons coupled to an artificial atom. Gustafsson et al., Science 346, 207 (2014)
Decoherence-Free Interaction between Giant Atoms in Waveguide Quantum Electrodynamics. Kockum et al., Physical Review Letters 120, 140404 (2018)

Pressmeddelande från MIT >>>

Sidansvarig Publicerad: on 02 sep 2020.