Quantum computing har potential att revolutionera teknik, medicin, och vetenskap genom att tillhandahålla snabbare och effektivare processorer, sensorer, och kommunikationsenheter.

Men att överföra information och korrigera fel inom ett kvantsystem är fortfarande en utmaning för att göra effektiva kvantdatorer.

I ett papper i tidningen Natur , forskare från Purdue University och University of Rochester, inklusive John Nichol, en biträdande professor i fysik, och Rochester Ph.D. studenterna Yadav P. Kandel och Haifeng Qiao, visa sin metod för att vidarebefordra information genom att överföra elektronernas tillstånd. Forskningen tar forskare ett steg närmare att skapa fullt fungerande kvantdatorer och är det senaste exemplet på Rochesters initiativ för att bättre förstå kvantbeteende och utveckla nya kvantsystem. Universitetet fick nyligen ett bidrag på 4 miljoner dollar från energidepartementet för att utforska kvantmaterial.

Kvantdatorer

En kvantdator arbetar på principerna för kvantmekanik, en unik uppsättning regler som styr i extremt liten skala av atomer och subatomära partiklar. När man hanterar partiklar i dessa vågar, många av reglerna som styr klassisk fysik gäller inte längre och kvanteffekter framträder; en kvantdator kan utföra komplexa beräkningar, faktor extremt stora siffror, och simulera beteenden hos atomer och partiklar på nivåer som klassiska datorer inte kan.

Kvantdatorer har potential att ge mer inblick i fysikens och kemins principer genom att simulera materiens beteende vid ovanliga förhållanden på molekylär nivå. Dessa simuleringar kan vara användbara för att utveckla nya energikällor och studera förhållandena för planeter och galaxer eller jämföra föreningar som kan leda till nya läkemedelsbehandlingar.

"Du och jag är kvantsystem. Partiklarna i vår kropp lyder kvantfysik. Men, om du försöker beräkna vad som händer med alla atomer i vår kropp, du kan inte göra det på en vanlig dator, "Säger Nichol." En kvantdator kan enkelt göra det här. "

Kvantdatorer kan också öppna dörrar för snabbare databasesökningar och kryptografi.

"Det visar sig att nästan all modern kryptografi är baserad på den extrema svårigheten för vanliga datorer att faktorera stora antal, "Säger Nichol." Kvantdatorer kan enkelt faktorera stora antal och bryta krypteringsscheman, så du kan föreställa dig varför många regeringar är intresserade av detta. "

Bits kontra qubits

En vanlig dator består av miljarder transistorer, kallas bitar. Kvantdatorer, å andra sidan, är baserade på kvantbitar, även känd som qubits, som kan tillverkas av en enda elektron. Till skillnad från vanliga transistorer, som kan vara antingen "0" eller "1, "qubits kan vara både" 0 "och" 1 "samtidigt. Möjligheten för enskilda qubits att uppta dessa" superpositionstillstånd, "där de samtidigt är i flera tillstånd, ligger till grund för kvantdatorernas stora potential. Precis som vanliga datorer, dock, kvantdatorer behöver ett sätt att överföra information mellan qubits, och detta utgör en stor experimentell utmaning.

"En kvantdator måste ha många qubits, och de är verkligen svåra att göra och använda, "Säger Nichol." Den toppmoderna just nu gör något med bara några qubits, så vi är fortfarande långt ifrån att förverkliga kvantdatorernas fulla potential. "

Alla datorer, inklusive vanliga och kvantdatorer och enheter som smarta telefoner, måste också utföra felkorrigering. En vanlig dator innehåller kopior av bitar, så om en av bitarna blir dålig, "resten kommer bara att ta majoritetsröst" och åtgärda felet. Dock, kvantbitar kan inte kopieras, Nichol säger, "så du måste vara mycket smart om hur du korrigerar för fel. Det vi gör här är ett steg i den riktningen."

Manipulerande elektroner

Kvantfelkorrigering kräver att enskilda qubits interagerar med många andra qubits. Detta kan vara svårt eftersom en individuell elektron är som en stångmagnet med en nordpol och en sydpol som kan peka antingen uppåt eller nedåt. Polens riktning - oavsett om nordpolen pekar uppåt eller nedåt, till exempel - är känd som elektronens magnetiska moment eller kvanttillstånd.

Om vissa typer av partiklar har samma magnetiska moment, de kan inte vara på samma plats samtidigt. Det är, två elektroner i samma kvanttillstånd kan inte sitta ovanpå varandra.

"Detta är en av de främsta anledningarna till att något som ett öre, som är gjord av metall, kollapsar inte av sig själv, "Nichol säger." Elektronerna skjuter sig isär eftersom de inte kan vara på samma plats samtidigt. "

Om två elektroner befinner sig i motsatta tillstånd, de kan sitta ovanpå varandra. En överraskande konsekvens av detta är att om elektronerna är tillräckligt nära, deras stater kommer att byta fram och tillbaka i tid.

"Om du har en elektron som är uppe och en annan elektron som är nere och du trycker ihop dem under precis rätt tid, de kommer att byta, "Säger Nichol." De bytte inte plats, men deras stater bytte. "

För att tvinga fram detta fenomen, Nichol och hans kollegor kylde ner ett halvledarchip till extremt låga temperaturer. Med hjälp av kvantprickar - nanoskala halvledare - fångade de fyra elektroner i rad, flyttade sedan elektronerna så att de kom i kontakt och deras tillstånd växlade.

"Det finns ett enkelt sätt att växla tillståndet mellan två närliggande elektroner, men gör det över långa avstånd - i vårt fall, det är fyra elektroner - kräver mycket kontroll och teknisk skicklighet, "Nichol säger." Vår forskning visar att detta nu är ett hållbart sätt att skicka information över långa avstånd. "

Ett första steg

Sänder tillståndet för en elektron fram och tillbaka över en rad qubits, utan att flytta elektronernas position, ger ett slående exempel på de möjligheter som kvantfysiken tillåter för informationsvetenskap.

"Detta experiment visar att information i kvanttillstånd kan överföras utan att faktiskt överföra den enskilda elektronen snurrar ner i kedjan, "säger Michael Manfra, professor i fysik och astronomi vid Purdue University. "Det är ett viktigt steg för att visa hur information kan överföras kvant-mekaniskt-på sätt som är helt annorlunda än vår klassiska intuition skulle få oss att tro."

Nichol liknar detta med stegen som ledde från de första beräkningsenheterna till dagens datorer. Som sagt, kommer vi alla någon dag att ha kvantdatorer för att ersätta våra stationära datorer? "Om du hade ställt den frågan om IBM på 1960 -talet, de skulle nog ha sagt nej, det finns inget som kommer att hända, "Säger Nichol." Det är min reaktion nu. Men, vem vet?"