Fysiker vid ETH Zürich har visat en fem meter lång mikrovågskvantlänk, den längsta i sitt slag hittills. Den kan användas både för framtida kvantdatornätverk och för experiment i grundläggande kvantfysikforskning.

Samarbete är allt - även i kvantvärlden. Att bygga kraftfulla kvantdatorer i framtiden, Det kommer att vara nödvändigt att ansluta flera mindre datorer för att bilda ett slags kluster eller lokalt nätverk (LAN). Eftersom dessa datorer arbetar med kvantmekaniska superpositionstillstånd, som innehåller de logiska värdena "0" och "1" samtidigt, länkarna mellan dem bör också vara "kvantlänkar".

Den längsta sådan länk hittills baserad på mikrovågor, fem meter lång, byggdes nyligen i laboratoriet hos Andreas Wallraff, professor vid Quantum Device Lab vid ETH Zürich. Forskarna var planerade att presentera sina resultat om det vid det årliga mötet i American Physical Society i Denver. På grund av situationen med covid-19-epidemin, denna konferens avbröts med kort varsel. Istället, forskarna rapporterar nu sina resultat på en virtuell ersättningskonferens.

"Det är verkligen en milstolpe för oss, "Wallraff förklarar, "sedan nu kan vi visa att kvant-LAN ​​i princip är möjliga. Under de närmaste 10 till 20 åren, kvantdatorer kommer förmodligen alltmer att lita på dem. "För närvarande finns det datorer med några dussin kvantbitar eller qubits, men flera hundratusentals av dem är nästan omöjliga att rymma i befintliga enheter. En anledning till detta är att qubits baserade på supraledande elektriska oscillatorer, som de som används i kvantchipsen i Wallraffs laboratorium (och även från IBM och Google), måste kylas ner till temperaturer nära den absoluta nollan -273, 15 grader Celsius. Detta undertrycker termiska störningar som skulle få kvanttillstånden att förlora sin superpositionsegenskap - detta kallas dekoherens - och därmed fel i kvantberäkningarna.

Extremt kallt mot dekoherens

"Utmaningen var att ansluta två av dessa supraledande kvantchips på ett sådant sätt att de kan utbyta superpositionstillstånd mellan dem med minimal dekoherens, "säger Philipp Kurpiers, en tidigare doktorand elev i Wallraffs grupp. Detta sker med hjälp av mikrovågsfoton som avges av en supraledande oscillator och tas emot av en annan. Mellan, de flyger genom en vågledare, som är en metallhålighet på några centimeter i bredd, som också måste kylas kraftigt så att fotonernas kvanttillstånd inte påverkas.

Var och en av kvantchipsen kyls ner över flera dagar i en kryostat (ett extremt kraftfullt kylskåp), med hjälp av komprimerat och även flytande helium, till några hundradelar av en grad över absolut noll. För detta ändamål, den fem meter långa vågledaren som skapar kvantlänken var utrustad med ett skal bestående av flera lager kopparark. Var och en av dessa ark fungerar som en värmesköld för de olika temperaturstegen i kryostaten:-223 grader, -269 grader, -272 grader och slutligen -273, 1 grader. Sammanlagt, bara dessa värmesköldar väger cirka en kvarts ton.

Inget "bordsskiva" -experiment

"Så, detta är definitivt inte ett "bordsskiva" -experiment längre som man kan sätta ihop på en liten arbetsbänk, "Säger Wallraff." Mycket utvecklingsarbete har gjorts i detta, och ETH är en idealisk plats för att bygga en så ambitiös apparat. Det är ett slags mini-CERN som vi först måste bygga under flera år för att kunna göra intressanta saker med det nu. ”Förutom de tre doktoranderna som genomförde experimenten, flera ingenjörer och tekniker, även i workshops på ETH och vid Paul Scherrer Institute (PSI), var involverade i att producera och konstruera kvantlänken.

Fysikerna vid ETH visade inte bara att kvantlänken kan kylas ned tillräckligt, men också att den faktiskt kan användas för att på ett tillförlitligt sätt överföra kvantinformation mellan två kvantchips. För att demonstrera detta, de skapade ett intrasslat tillstånd mellan de två chipsen via kvantlänken. Sådana trassliga stater, där mätning av en qubit omedelbart påverkar resultatet av en mätning på den andra qubit, kan också användas för tester i grundläggande kvantforskning. I de "Bell -testerna, "qubits måste vara tillräckligt långt ifrån varandra, så att all informationsöverföring med ljusets hastighet kan uteslutas.

Medan Wallraff och hans medarbetare utför experiment med den nya länken, de har redan börjat arbeta med ännu längre kvantlänkar. Redan för ett år sedan kunde de svalna ner en tio meter lång länk, men utan att göra några kvantexperiment med det. Nu arbetar de med en 30-meters kvantlänk, för vilka ett rum på ETH har förberetts särskilt.