Instängda Rydberg-joner kan vara nästa steg mot att skala upp kvantdatorer till storlekar där de kan vara praktiskt användbara, en ny studie i Natur visar.

Olika fysiska system kan användas för att göra en kvantdator. Instängda joner som bildar en kristall har lett forskningsfältet i flera år, men när systemet skalas upp till stora jonkristaller blir denna metod väldigt långsam. Komplexa aritmetiska operationer kan inte utföras tillräckligt snabbt innan den lagrade kvantinformationen försvinner.

En forskargrupp vid Stockholms universitet kan ha löst detta problem genom att använda gigantiska Rydberg-joner, 100 miljoner gånger större än normala atomer eller joner. Dessa enorma joner är mycket interaktiva och, därför, kan utbyta kvantinformation på mindre än en mikrosekund.

"På sätt och vis, Rydbergjoner bildar små antenner för utbyte av kvantinformation och gör det på så sätt möjligt att realisera särskilt snabba kvantportar, som är de "grundläggande byggstenarna" i en kvantdator, " förklarar Markus Hennrich, Institutionen för fysik, Stockholms universitet, och gruppledare från Stockholms universitets team. "Interaktionen mellan Rydberg-joner är inte baserad på kristallvibrationer, som med joner fångade i kristallform, utan på utbyte av fotoner. Den snabba interaktionen mellan Rydberg-jonerna kan användas för att skapa kvantintrassling."

"Vi använde denna interaktion för att utföra en kvantberäkningsoperation (en intrasslande grind) som är cirka 100 gånger snabbare än vad som är typiskt i fångade jonsystem, " förklarar Chi Zhang, forskare vid institutionen för fysik, Stockholms universitet.

Teoretiska beräkningar som stöder experimentet har utförts av Igor Lesanovsky och Weibin Li vid University of Nottingham, Storbritannien och universitetet i Tübingen, Tyskland.

"Vårt teoretiska arbete bekräftade att det verkligen inte förväntas någon avmattning när jonkristallerna blir större, lyfter fram möjligheten till en skalbar kvantdator, säger Igor Lesanovsky från universitetet i Tübingen.

Kvantdatorer anses vara en av 2000-talets nyckelteknologier. Medan konventionella datorer fungerar enligt den klassiska fysikens lagar, kvantdatorer fungerar enligt kvantmekanikens regler. Förmågan hos entangled quanta att utbyta information utan tidsfördröjning gör dem mycket snabba och kraftfulla. I framtiden, kvantdatorer kan användas överallt där komplexa beräkningar behöver lösas, till exempel vid design av nya mediciner eller inom artificiell intelligens.