Konventionella datorer lagrar information i lite, en grundläggande enhet för logik som kan ta ett värde på 0 eller 1. Kvantdatorer är beroende av kvantbitar, även känd som en "qubits, "som deras grundläggande byggstenar. Bitar i traditionella datorer kodar för ett enda värde, antingen en 0 eller en 1. Tillståndet för en qubit, däremot, kan samtidigt ha ett värde på både 0 och 1. Denna egendomliga egenskap, en konsekvens av kvantfysikens grundlagar, resulterar i den dramatiska komplexiteten i kvantsystem.

Quantum computing är ett begynnande och snabbt växande område som lovar att använda denna komplexitet för att lösa problem som är svåra att ta itu med med konventionella datorer. En viktig utmaning för kvantberäkning, dock, är att det kräver att ett stort antal qubits samarbetar – vilket är svårt att åstadkomma samtidigt som man undviker interaktioner med den yttre miljön som skulle beröva qubitarna på deras kvantegenskaper.

Ny forskning från labbet av Oskar Painter, John G Braun Professor i tillämpad fysik och fysik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap, utforskar användningen av supraledande metamaterial för att övervinna denna utmaning.

Metamaterial är speciellt konstruerade genom att kombinera flera komponentmaterial i en skala mindre än ljusets våglängd, ger dem förmågan att manipulera hur ljuspartiklar, eller fotoner, bete sig. Metamaterial kan användas för att reflektera, sväng, eller fokusera ljusstrålar på nästan vilket önskat sätt som helst. Ett metamaterial kan också skapa ett frekvensband där utbredning av fotoner blir helt förbjuden, en så kallad "fotonisk bandgap".

Caltech -teamet använde ett fotoniskt bandgap för att fånga mikrovågsfoton i en supraledande kvantkrets, skapa en lovande teknik för att bygga framtida kvantdatorer.

"I princip, detta är ett skalbart och flexibelt substrat för att bygga komplexa kretsar för sammankoppling av vissa typer av qubits, "säger målaren, ledare för gruppen som genomförde forskningen, som publicerades i Naturkommunikation den 12 september. "Inte bara kan man leka med det rumsliga arrangemanget av anslutningen mellan qubits, men man kan också designa anslutningen så att den bara sker vid vissa önskade frekvenser."

Painter och hans team skapade en kvantkrets bestående av tunna filmer av en supraledare - ett material som överför elektrisk ström med liten eller ingen förlust av energi - spårad på ett kiselmikrochip. Dessa supraledande mönster transporterar mikrovågor från en del av mikrochippet till en annan. Vad gör att systemet fungerar i en kvantregim, dock, är användningen av en så kallad Josephson-korsning, som består av ett atomärt tunt icke-ledande skikt inklämt mellan två supraledande elektroder. Josephson -korsningen skapar en källa till mikrovågsfoton med två distinkta och isolerade tillstånd, som en atoms mark och exciterade elektroniska tillstånd, som är inblandade i utsläpp av ljus, eller, på kvantberäkningsspråket, en qubit.

"Superledande kvantkretsar gör det möjligt för en att utföra grundläggande kvantelektrodynamiska experiment med hjälp av en elektrisk mikrovågskrets som ser ut som att den kunde ha tagits direkt från din mobiltelefon, "Säger Painter. "Vi tror att förstärkning av dessa kretsar med supraledande metamaterial kan möjliggöra framtida kvantberäkningsteknologier och ytterligare studier av mer komplexa kvantsystem som ligger utanför vår förmåga att modellera med även de mest kraftfulla klassiska datorsimuleringarna."

Papperet har titeln "Superledande metamaterial för vågledarkvantelektrodynamik."