Ett team av forskare, ledd av professor Winfried Hensinger vid University of Sussex, har gjort ett stort genombrott när det gäller ett av de största problemen som kvantberäkningen står inför:hur man minskar störande effekter av miljöbrus på den mycket känsliga funktionen hos en storskalig kvantdator.

I den verkliga världen, den tekniska utvecklingen måste fungera under ofullkomliga förhållanden; vad som framgångsrikt kan testas i ett mycket kontrollerat laboratorium kan misslyckas om det presenteras med realistiska miljöfaktorer, till exempel svängningar i spänning från en elektronisk komponent eller elektromagnetiska fält som avges från daglig elektronisk utrustning.

University of Sussex Ion Quantum Technology Group har lyckats dramatiskt minska effekterna av sådant miljö "buller" som påverkar instängda jonkvantdatorer, rapporterar sina fynd i en artikel som har idag, Torsdag 1 november 2018, publicerats i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev . Det betyder att laget är ett steg närmare att bygga en storskalig kvantdator med förmågan att lösa utmanande verkliga problem.

Småskaliga kvantdatorer som för närvarande existerar innehåller bara en handfull kvantbitar-komponenter i kvantdatorer som lagrar information och kan existera i flera tillstånd, kallas också qubits. Som sådan, nuvarande kvantdatorer är tillräckligt små för att användas i en mycket kontrollerad miljö i ett specialiserat laboratorium. Dock, sådana maskiner har inte den processorkraft som krävs för att lösa komplexa problem på grund av det begränsade antalet qubits.

När den byggdes, storskaliga kvantdatorer kommer att kunna lösa vissa problem som skulle ta även de snabbaste superdatorerna miljarder år att beräkna. För att skapa en kvantdator som kan lösa sådana problem, forskare kommer att behöva öka antalet qubits, vilket i sin tur kommer att öka storleken på kvantdatorn. Problemet är att ju fler qubits som läggs till, desto svårare blir det att isolera datorn från realistiskt "brus" som skulle störa datorprocesserna.

Hensingers team från University of Sussex fysiker har gjort ett genombrott för kvantberäkning som kan mildra några av dessa problem. De samarbetade med teoretiska forskaren Dr Florian Mintert och kollegor från Imperial College London, som föreslog en teori om hur man kan lösa detta problem genom att manipulera de konstiga kvanteffekterna som används i en kvantdator. Teorin tillåter - genom att använda kvantfysikens konstiga egenskaper - exekvering av kvantberäkningar på ett sådant sätt att förändringar i maskinens initiala driftsparametrar inte leder till en väsentlig förändring av beräkningens slutresultat. Detta bidrar i sin tur till att isolera kvantdatorn från effekterna av miljöbuller.

Dr Sebastian Weidt, senior forskare i Sussex Ion Quantum Technology Group, förklarar betydelsen:"Att inse denna teknik kan ha en djupgående inverkan på förmågan att utveckla kommersiella jontrapkvantdatorer som inte kan användas i ett akademiskt laboratorium."

Sussex -teamet gick till jobbet för att se om de verkligen kunde genomföra denna teori. De använde komplicerade radiofrekvens- och mikrovågssignaler som kan manipulera de kvanteffekter som finns i individuella laddade atomer (joner), för att demonstrera detta i praktiska experiment. Deras implementering är baserad på mikrovågsteknik, som den som finns i mobiltelefoner. Efter månader av intensivt arbete i laboratoriet, Sussex -forskarna har lyckats göra denna nya metod till verklighet, experimentellt demonstrera dess förmåga att avsevärt minska effekten av "brus" på en instängd jonkvantdator.

Prof Hensinger, Chef för Ion Quantum Technology Group vid University of Sussex-som förra året presenterade den första planen för en storskalig kvantdator-säger:"Med detta framsteg har vi tagit ytterligare ett praktiskt steg mot att konstruera kvantdatorer som kan rymma miljontals qubits Sådana maskiner kan lösa vissa problem som även den snabbaste superdatorn kan ta miljarder år att beräkna och vara till stor nytta för mänskligheten; de kan hjälpa oss att skapa nya läkemedel, hitta nya botemedel mot sjukdomar, såsom demens; skapa kraftfulla verktyg för finanssektorn; vara till nytta för jordbruket, genom mer effektiv gödselproduktion, bland många andra applikationer. Vi börjar bara förstå den enorma potentialen hos dessa maskiner. "

Hensingers grupp använder nu denna nya teknik när de sätter sista handen vid en kraftfull kvantdatorprototyp som för närvarande finns i deras laboratorium vid University of Sussex.

Hensinger säger:"Det är nu dags att översätta akademiska prestationer till konstruktion av praktiska maskiner. Vi har en fantastisk position för att göra detta på Sussex och mitt team arbetar dygnet runt för att göra storskalig kvantberäkning till en framtida verklighet."