Kvantkollage

Naturens strävan efter symmetri ger ny kvantteknologi

​Från fjärilsvingar och snöflingor, ner till vår fysiska världs allra minsta beståndsdelar, strävar naturen efter symmetrisk ordning för att skapa balans och harmoni. Det gäller också för de energinivåer en atom kan anta. Genom att utnyttja denna strävan har forskare på Chalmers lyckats kontrollera och kommunicera med atomers mörka tillstånd. Framsteget banar väg för utvecklingen av beräknande kvantnätverk och sensorer som kan påvisa universums svårfångade mörka materia.
​− Naturen tycker om symmetri, och det gör vi också. Grunden till våra experiment är ett innovativt grepp där vi kontrollerar och nyttjar de tillgängliga symmetrierna i ett system som annars är mycket svårt att tämja, säger doktor Aamir Ali, som är forskare inom kvantteknologi och studiens försteförfattare.
Storskaliga kvantdatorer har potential att bli vida överlägsna de mest avancerade av dagens datorer. En kvantdator bygger på så kallade kvantbitar, som har förmågan att befinna sig i superposition då de antar både värdena 0 och 1 samtidigt. Fenomenet tillåter kvantdatorer att hantera enorma mängder data. Superpositionerna är dock mycket känsliga, vilket innebär att de behöver skyddas från störningar och brus utifrån så att de inte kollapsar.

Att bygga en storskalig kvantdator innebär därför stora utmaningar, då systemet blir allt känsligare i takt med att antalet kvantbitar ökar.  Därför är ett viktigt forskningsområde utvecklingen av kvantnätverk, där beräkningar distribueras över flera sammanlänkade enheter. Ett möjligt sätt att förverkliga sådana nätverk är att använda artificiella atomer* som kvantbitar. Atomer interagerar naturligt med ljus genom att absorbera eller sända ut fotoner. Men två eller flera atomer kan tillsammans anta särskilda superpositioner som kallar mörka tillstånd, då de är helt genomskinliga för ljus – det vill säga varken absorberar eller sänder fotoner. Sådana mörka tillstånd har stor potential inom kvantteknologin eftersom de är immuna mot extern påverkan och störningar. Av samma anledning är det en svår uppgift att kontrollera de mörka tillstånden och få dem att utbyta information.

”Kopplar upp sig” mot atomernas symmetrier

Nu har forskare inom kvantteknologi på Chalmers utvecklat en enkel och precis metod för att kunna kontrollera det mörka tillståndet i två sammankopplade artificiella atomer. Studien har publicerats i Physical Review Letters.
Kvantbiten som Aamir Ali och hans kollegor har använt i sin studie är en molekyl med två sammankopplade artificiella atomer som består av supraledande** kretsar. När ljuspartiklar - fotoner - skickas genom en vågledare*** in i atomerna kan fotonerna interagera med atomernas energinivåer i två olika tillgängliga symmetrier.
Tidigare har detta gjorts genom att koppla en enda vågledare till kvantbiten, men Chalmersforskarna har i stället använt två vågledare som kopplas separat till vart och ett av de symmetriska tillstånden. På grund av den symmetriska energifördelningen i de artificiella atomerna kommer den ena vågledaren då att vara kopplad till ett mörkt tillstånd, och den andra till dess kompletterande ljusa tillstånd. Det gör tillstånden mottagliga för påverkan och kontroll oberoende av varandra.

Nya tillämpningar inom kvantteknologi

Förmågan att kontrollera de mörka tillstånden innebär ett nytt angreppssätt för tillämpningar inom kvantteknologi. Med Chalmersforskarnas metod är det möjligt att skapa kvantsammanflätning**** mellan de ljusa och mörka tillstånden, vilket öppnar för nya sätt att bearbeta kvantinformation och överföra den i kvantnätverk. Dessutom kan den bidra till utvecklingen av sensorer som kan absorbera mikrovågsfotoner, något som skulle kunna användas för att påvisa universums mörka materia. Forskarna kommer också att tillämpa sina nya resultat inom termodynamiken för att undersöka om kvantmekanikens lagar kan utnyttjas i motorer eller batterier.

− Vi kan konstruera syntetiska molekyler med unika symmetrier, vilket leder till nya sätt som molekylerna kan interagera med mikrovågsljus. Konceptet vi demonstrerar är både elegant och kraftfullt, med tillämpningar som sträcker sig från distribuerad kvantberäkning till att påvisa mikrovågsfotoner, säger professor Simone Gasparinetti, som är forskningsledare inom experimentell kvantfysik och en av studiens huvudförfattare.

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.

− Ett av målen med WACQT är att bygga en kvantdator, men nyttan är mycket större än så. Vi har skapat en miljö där forskare kan uppmuntras att utforska nya vägar tack vare vår infrastruktur och expertis inom kvantteknologi. Det här arbetet är ett sådant exempel, säger Simone Gasparinetti.

Så fungerar det

De artificiella atomerna består av elektriska kretsar som, precis som verkliga atomer, bara kan ta upp bestämda – diskreta – energimängder. När de artificiella atomerna ansluts till de två vågledarna bildar de en gemensam struktur som utnyttjar kvantinterferens för att koppla vågledarna till de två olika symmetrier som atomernas energinivåer kan anta. Tack vare kopplingen till symmetrierna är det enkelt att välja och designa energiövergångarna. Detta kan göras på ett mycket mer effektivt och enklare sätt än vad som tidigare visats, utan att behöva använda komplicerad fas- och pulskontroll.
Läs hela artikeln i Physical Review Letters: Engineering Symmetry-Selective Couplings of a Superconducting Artificial Molecule to Microwave Waveguides
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.123604
 
Studiens författare är Mohammed Ali Aamir, Claudia Castillo Moreno, Simon Sundelin, Janka Biznárová, Marco Scigliuzzo, Kowshik Erappaji Patel, Amr Osman, D. P. Lozano, Ingrid Strandberg, and Simone Gasparinetti. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola.

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet och Knut and Alice Wallenbergs stiftelse genom Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT).

Ordlista

* Artificiell atom: En minimal bit ledande material där laddning och energinivåer fungerar på samma sätt som i en verklig atom. Och precis som riktiga atomer förändrar den sitt tillstånd genom att absorbera eller sända ut ljus vid en viss frekvens. De artificiella atomerna som Chalmers forskare använder består av supraledande kretsar som utbyter ljus i mikrovågsspektrumet.
** Supraledare: Material som har förmågan att leda elektrisk ström utan energiförlust när de kyls ner till mycket låga temperaturer.
*** Vågledare: Struktur som styr fotonerna i mikrovågssignaler.
**** Kvantsammanflätning: Fenomen som belönades med Nobelpriset i fysik 2022. Det innebär att när partiklar är sammanflätade kommer ändringen hos en av partiklarna medföra att egenskaperna hos de andra partiklarna också ändras, oberoende av avståndet mellan dem.

För mer information, vänligen kontakta:  

Aamir Ali, doktor vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, avdelningen för kvantteknologi, Chalmers tekniska högskola, 031 772 15 33, aamir.ali@chalmers.se

Simone Gasparinetti, biträdande professor vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, avdelningen för kvantteknologi, Chalmers tekniska högskola. Principal Investigator vid Wallenberg Centre for Quantum Technology, 031 772 65 73, simoneg@chalmers.se

Text: Karin Wik

Sidansvarig Publicerad: to 15 dec 2022.