Kvantfysiken sätter de lagar som dominerar universum i liten skala. Möjligheten att utnyttja kvantfenomen kan leda till maskiner som kvantdatorer, som förutspås utföra vissa beräkningar mycket snabbare än konventionella datorer. Ett stort problem med att bygga kvantprocessorer är att spårning och kontroll av kvantsystem i realtid är en svår uppgift eftersom kvantsystem är överväldigande bräckliga:Manipulering av dessa system introducerar slarvigt betydande fel i det slutliga resultatet. Nytt arbete av ett team på Aalto kan leda till exakta kvantdatorer.

Forskarna rapporterar att de kontrollerar kvantfenomen i en specialdesignad elektrisk krets som kallas en transmon. Att kyla ett transmonchip till inom några tusendelar av en grad över absolut noll inducerar ett kvanttillstånd, och chipet börjar bete sig som en artificiell atom. En av de kvantfunktioner som intresserar forskare är att transmonens energi bara kan ta specifika värden, kallas energinivåer. Energinivåerna är som steg på en stege:En person som klättrar på stegen måste inta ett steg, och kan inte sväva någonstans mellan två steg. Likaså, transmon -energin kan bara uppta de inställda värdena för energinivåerna. Lysande mikrovågor på kretsen får transmonen att absorbera energin och klättra uppför stegen.

I arbete publicerat 8 februari i tidningen Vetenskapliga framsteg , gruppen från Aalto University under ledning av docent Sorin Paraoanu, universitetslektor vid Institutionen för tillämpad fysik, har fått transmon att hoppa mer än en energinivå på en gång. Tidigare, detta har endast varit möjligt genom mycket skonsamma och långsamma justeringar av mikrovågssignalerna som styr enheten. I det nya arbetet, en extra mikrovågsstyrsignal formad på ett mycket specifikt sätt tillåter en snabb, exakt förändring av energinivån. Dr Antti Vepsäläinen, huvudförfattaren, säger, "Vi har ett talesätt i Finland:" hiljaa hyvää tulee "(gör det långsamt). Men vi lyckades visa det genom att kontinuerligt korrigera systemets tillstånd, vi kan driva denna process snabbare och med hög kvalitet. "

Dr Sergey Danilin, en av medförfattarna, beskriver kvantkontroll - processen att använda chips som transmoner för att bygga kvantdatorer - genom att förlänga "klättring på en stege" -analogi. "För att få ett användbart kvantsystem, du måste föreställa dig att klättra på en stege medan du håller ett glas vatten - det fungerar om man gör det smidigt, men om du gör det för snabbt, vattnet rinner ut. Säkert, detta kräver en särskild skicklighet. "

Forskarna fann att i kvantvärlden, tricket för att klättra stegen snabbt utan att spilla vatten är genom att försiktigt hoppa två steg i taget. Denna genväg upp energistegen uppnåddes genom att transmonen absorberade två mikrovågsfoton samtidigt. Naturlagarna begränsar hur snabbt en kvantenergibrytare kan ske, även med genvägar, en begränsning som kallas "kvantfartsgränsen". Till deras glädje, Aalto -forskarna fann att deras nya metod resulterade i förändringar av energinivån som ägde rum i hastigheter som var nära denna teoretiskt beräknade gräns.

Den bredare effekten av att kontrollera höghastighetsenergioverföringar i kvantsystem är också spännande för teamet. Av potentiellt hög vikt är applikationer för kvantberäkning och kvantsimulering, vilket kräver snabba och mycket robusta operationer som statlig förberedelse och skapandet av kvantportar. Dr Paraoanu ser andra möjligheter, också:"Vi skulle vilja förstå djupare processer relaterade till energiöverföring, som är allestädes närvarande i den naturliga världen och i den teknik som omger oss. Till exempel, finns det några grundläggande gränser för hur snabbt vi kan ladda batteriet i en elbil? "Inom kvanttekniken som utvecklas snabbt, det är möjligt att denna nya kontrollmetod kommer att hitta flera applikationer.