Att bygga en kvantdator kräver att man räknar med fel - i mer än en mening. Kvantbitar, eller "qubits, "som kan anta de logiska värdena noll och ett samtidigt, och därmed utföra beräkningar snabbare, är extremt mottagliga för störningar. En möjlig åtgärd för detta är kvantfelkorrigering, vilket innebär att varje qubit representeras redundant i flera kopior, så att fel kan upptäckas och så småningom korrigeras utan att störa kvittillståndet i själva qubiten. Tekniskt, detta är mycket krävande. Dock, många år sedan, ett alternativt förslag föreslog att information inte skulle lagras i flera redundanta qubits, utan snarare i de många oscillerande tillstånden hos en enda kvant harmonisk oscillator. Forskargruppen för Jonathan Home, professor vid Institute for Quantum Electronics vid ETH Zürich, har nu insett en sådan qubit kodad i en oscillator. Deras resultat har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Periodiska oscillerande tillstånd

I hemmets laboratorium, Ph.D. studenten Christa Flühmann och hennes kollegor arbetar med elektriskt laddade kalciumatomer som fångas av elektriska fält. Användning av lämpligt valda laserstrålar, dessa joner kyls ner till mycket låga temperaturer vid vilka deras svängningar i de elektriska fälten, inuti som jonerna slashar fram och tillbaka som marmor i en skål, beskrivs med kvantmekanik som så kallade vågfunktioner. "Vid det tillfället, saker blir spännande, säger Flühmann, som är första författare till Natur papper. "Vi kan nu manipulera jonernas oscillerande tillstånd på ett sådant sätt att deras position och momentum osäkerhet fördelas mellan många periodiskt arrangerade tillstånd."

Här, "osäkerhet" avser Werner Heisenbergs berömda formel, som säger att i kvantfysik, produkten av mätosäkerheterna för position och hastighet (närmare bestämt:momentum) för en partikel kan aldrig gå under ett väldefinierat minimum. Till exempel, att manipulera partikeln för att mycket väl veta dess position - fysiker kallar detta "kläm" - kräver att dess momentum blir mindre säkert.

Minskad osäkerhet

Att pressa ett kvanttillstånd på detta sätt är, på egen hand, endast av begränsat värde om målet är att göra exakta mätningar. Dock, det finns en smart utväg:om, ovanpå klämningen, man förbereder ett oscillerande tillstånd där partikelns vågfunktion fördelas över många periodiskt placerade lägen, mätosäkerheten för varje position och för respektive momentum kan vara mindre än Heisenberg skulle tillåta. En sådan rumslig fördelning av vågfunktionen - partikeln kan vara på flera ställen samtidigt, och bara en mätning avgör var man faktiskt hittar den - påminner om Erwin Schrödingers berömda katt, som samtidigt är död och levande.

Denna starkt minskade mätosäkerhet innebär också att den minsta förändringen i vågfunktionen, till exempel genom någon yttre störning, kan bestämmas mycket exakt och - åtminstone i princip - korrigeras. "Vår insikt om de periodiska eller kamliknande oscillerande tillstånden hos jonen är ett viktigt steg mot en sådan feldetektering, "Flühmann förklarar." Dessutom, vi kan förbereda godtyckliga tillstånd för jonen och utföra alla möjliga logiska operationer på den. Allt detta är nödvändigt för att bygga en kvantdator. I ett nästa steg vill vi kombinera det med feldetektering och felkorrigering. "

Applikationer i kvantgivare

Några experimentella hinder måste övervinnas på vägen, Flühmann medger. Kalciumjonen måste först kopplas till en annan jon med elektriska krafter, så att oscillerande tillstånd kan avläsas utan att förstöra det. Fortfarande, även i sin nuvarande form är metoden för ETH -forskarna av stort intresse för applikationer, Flühmann förklarar:"På grund av deras extrema känslighet för störningar, dessa oscillerande tillstånd är ett utmärkt verktyg för att mäta små elektriska fält eller andra fysiska mängder mycket exakt. "