Genombrott kan röja stora hinder för kvantdatorer

Kvantdatorernas potential begränsas idag av ett problematiskt dilemma: kvantsystem som kan utföra komplexa beräkningar har svårt att hantera fel och brus. System som är bättre rustade mot brus är å andra sidan långsamma och sämre på att utföra komplexa uppgifter. Nu har ett forskarlag från Chalmers skapat ett unikt system som kommer runt problemet och därmed banar väg för mer robusta kvantdatorer med längre beräkningstid.

För att kvantdatorerna ska komma till praktisk användning i samhället behöver kvantforskarna först lösa en rad större utmaningar. Idag får fel och brus, orsakade av till exempel elektromagnetiska störningar och magnetiska fluktuationer, de känsliga kvantbitarna att förlora sina kvanttillstånd - och därmed också förmågan att fortsätta beräkningen. Den tidsrymd som en kvantdator kan arbeta med ett problem är idag därför begränsad.
För att en kvantdator dessutom ska kunna ta sig an komplexa problem behöver kvantforskarna också hitta ett sätt att kontrollera och manipulera kvanttillstånden.

Forskningsfältet står dock inför ett dilemma. Kvantsystem som kan hantera fel och därmed också räkna på problem under längre tid, är å andra sidan inte speciellt bra på att kontrollera kvanttillstånd - och vice versa. Men nu har ett forskarlag vid Chalmers tagit fram ett system som kombinerar båda dessa önskvärda effekter.

– Vi har skapat ett system baserat på flera kvanttillstånd som möjliggör extremt komplexa beräkningar i högre hastighet än tidigare, säger Simone Gasparinetti, föreståndare för 202Q-laboratoriet vid Chalmers tekniska högskola och senior författare till studien.

Avviker från principen om de två kvanttillstånden

Medan byggstenarna i en klassisk dator, bitar, har värdet 1 eller 0, kan de vanligaste byggstenarna i kvantdatorer, kvantbitar, ha värdet 1 och 0 samtidigt – i vilken kombination som helst. Fenomenet kallas superposition och är en av orsakerna till att en kvantdator kan utföra parallella beräkningar, med enorm beräkningspotential som följd.

Detta sätt att koda kvantbitar i fysiska system gör dem dock känsliga för fel och störningar, vilket har fått forskare inom området att söka andra sätt att hitta och korrigera fel. Systemet som skapats av Chalmersforskarna är baserat på så kallad kontinuerlig-variabel kvantberäkning. Metoden använder harmoniska oscillatorer, en typ av mikroskopiska komponenter, för att koda information linjärt. Oscillatorerna som används i studien består av tunna remsor av supraledande material som sitter på en isolerande platta och som tillsammans bildar en slags resonator för mikrovågor. Tillvägagångssättet är känt sedan tidigare inom fältet och avviker från principen om de två kvanttillstånden eftersom det erbjuder ett mycket större antal fysiska kvanttillstånd, vilket gör kvantdatorn betydligt bättre rustad mot fel och brus.

− Man kan likna en kvantbit vid en blå lampa som på kvantmekanisk väg kan vara tänd och släckt samtidigt. Ett kontinuerligt variabelt kvantsystem kan på samma sätt liknas vid en oändlig regnbåge som erbjuder en sömlös gradient av regnbågens färger. Så kan man illustrera kvantsystemets förmåga att komma åt ett stort antal tillstånd vilken i sin tur ger många fler möjligheter än kvantbitens två tillstånd, säger Axel Eriksson, forskare i kvantteknologi vid Chalmers tekniska högskola och huvudförfattare till studien.

Löser problematisk avvägning mellan komplexitet och feltolerans

Även om tillvägagångssättet möjliggör förbättrad felkorrigering, gör oscillatorernas linjära natur det svårt för kvantdatorn att lösa komplexa uppgifter. Man har tidigare försökt att kombinera harmoniska oscillatorer med styrsystem som supraledande kvantsystem för att komma runt problemet, men då har ett nytt problem uppstått: den så kallade Kerr-effekten. Kerr-effekten förvränger i sin tur de många kvanttillstånden som erbjuds av oscillatorn, och förstör den önskade effekten.

Genom att i stället placera ett kontrollsystem inuti oscillatorn kunde Chalmersforskarna kringgå Kerr-effekten och få bukt med ”trade off-problemet”. Systemet ger en lösning som inte bara bibehåller oscillatorernas fördelar, såsom en effektiv väg mot feltolerans, utan möjliggör även en noggrann kontroll av kvanttillstånden i hög hastighet. Systemet beskrivs i en artikel publicerad i Nature Communications och kan bana väg för mer robusta kvantdatorer.

– Inom forskningsområdet har man ofta försökt hålla supraledande element borta från kvantoscillatorer, för att inte förstöra de ömtåliga kvanttillstånden. Vi har utmanat detta paradigm. Genom att bädda in en styrenhet i hjärtat av oscillatorn lyckades vi undvika att de många kvanttillstånden förvrängdes, samtidigt som vi kunde kontrollera och manipulera dem. Som ett resultat kunde vi visa en helt ny uppsättning grindoperationer utförda i mycket hög hastighet, säger Simone Gasparinetti.­

Mer information:

Bakom studien “Universal control of a bosonic mode via drive-activated native cubic interactions” står Axel M. Eriksson, Théo Sépulcre, Mikael Kervinen, Timo Hillmann, Marina Kudra, Simon Dupouy, Yong Lu, Maryam Khanahmadi, Jiaying Yang, Claudia Castillo-Moreno, Per Delsing och Simone Gasparinetti, alla verksamma vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap vid Chalmers. Studien är publicerad i Nature Communications.

Kontakt:

Axel Eriksson, huvudförfattare och forskare i kvantteknologi vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers: 031-772 31 56, axel.eriksson@chalmers.se

Simone Gasparinetti, forskare i kvantteknologi vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers: 031-772 65 73, simoneg@chalmers.se

Bildtext: Kretsschemat till vänster illustrerar hur Chalmersforskarna kunde slå på och stänga av olika slags operationer genom att skicka mikrovågspulser (vågig pil) till styrsystemet inbyggt i oscillatorn. Forskarna använde systemet för att generera ett så kallat kubiskt fastillstånd som är en källa för kvantfelskorrigering. De blå fälten till höger är så kallade Wigner negativa regioner - ett tydligt tecken på tillståndets kvantegenskaper. Illustration: Timo Hillman

Karin Wik
Presskommunikatör
0708-86 48 35
karin.wik@chalmers.se

________________

Chalmers University of Technology in Gothenburg, Sweden, conducts research and education in technology and natural sciences at a high international level. The university has 3100 employees and 10,000 students, and offers education in engineering, science, shipping and architecture.

With scientific excellence as a basis, Chalmers promotes knowledge and technical solutions for a sustainable world. Through global commitment and entrepreneurship, we foster an innovative spirit, in close collaboration with wider society.

Chalmers was founded in 1829 and has the same motto today as it did then: Avancez – forward.

---

Images provided in Chalmers University of Technology press releases are, unless specified otherwise, free for download and publication as long as credit is given to the University and the individual creator. Cropping and rescaling of the images is permitted when required for adaptation to the publication’s format, but modifications that would influence the message and content of the original are not. The material is primarily intended for journalistic and informative use, to assist in communication and coverage of Chalmers’ research and education. Commercial usage, for example the marketing of goods and services, is not permitted.

We kindly request credit to be given in the following format where possible:

Image/Graphic/Illustration: Chalmers University of Technology | Name Surname