Tekniken bakom framtidens kvantdatorer utvecklas snabbt, med flera olika tillvägagångssätt på gång. Många av strategierna, eller "ritningar, " för kvantdatorer lita på atomer eller konstgjorda atomliknande elektriska kretsar. I en ny teoretisk studie i tidskriften Fysisk granskning X , en grupp fysiker vid Caltech visar fördelarna med ett mindre studerat tillvägagångssätt som inte bygger på atomer utan på molekyler.

"I kvantvärlden, vi har flera ritningar på bordet och vi förbättrar dem alla samtidigt, " säger huvudförfattaren Victor Albert, Lee A. DuBridge postdoktor i teoretisk fysik. "Folk har funderat på att använda molekyler för att koda information sedan 2001, men nu visar vi hur molekyler, som är mer komplexa än atomer, kan leda till färre fel i kvantberäkning."

I hjärtat av kvantdatorer finns det som kallas qubits. Dessa liknar bitarna i klassiska datorer, men till skillnad från klassiska bitar kan de uppleva ett bisarrt fenomen som kallas superposition där de existerar i två tillstånd eller flera samtidigt. Som det berömda tankeexperimentet Schrödingers katt, som beskriver en katt som är både död och levande på samma gång, partiklar kan existera i flera tillstånd samtidigt. Fenomenet superposition är kärnan i kvantberäkningen:det faktum att qubits kan anta många former samtidigt betyder att de har exponentiellt mer beräkningskraft än klassiska bitar.

Men superpositionstillståndet är känsligt, eftersom qubits är benägna att kollapsa ur sina önskade tillstånd, och detta leder till beräkningsfel.

"Inom klassisk datoranvändning, du måste oroa dig för att bitarna ska vända, där en '1'-bit går till en '0' eller vice versa, som orsakar fel, " säger Albert. "Det här är som att vända ett mynt, och det är svårt att göra. Men inom kvantberäkning, informationen lagras i ömtåliga överlagringar, och även kvantekvivalenten av en vindpust kan leda till fel."

Dock, om en kvantdatorplattform använder qubits gjorda av molekyler, forskarna säger, dessa typer av fel är mer sannolikt att förhindras än i andra kvantplattformar. Ett koncept bakom den nya forskningen kommer från arbete som utfördes för nästan 20 år sedan av Caltech-forskarna John Preskill, Richard P. Feynman professor i teoretisk fysik och chef för Institute of Quantum Information and Matter (IQIM), och Alexei Kitaev, Ronald och Maxine Linde professor i teoretisk fysik och matematik vid Caltech, tillsammans med sin kollega Daniel Gottesman (Ph.D. '97) från Perimeter Institute i Ontario, Kanada. Då, forskarna föreslog ett kryphål som skulle ge en väg runt ett fenomen som kallas Heisenbergs osäkerhetsprincip, som introducerades 1927 av den tyske fysikern Werner Heisenberg. Principen säger att man inte samtidigt med mycket hög precision kan veta var en partikel befinner sig och vart den är på väg.

"Det finns ett skämt där Heisenberg blir överkörd av en polis som säger att han vet att Heisenbergs hastighet var 90 miles per timme, och Heisenberg svarar, 'Nu har jag ingen aning om var jag är, " säger Albert.

Osäkerhetsprincipen är en utmaning för kvantdatorer eftersom den innebär att kvanttillstånden för kvantbitarna inte kan vara tillräckligt kända för att avgöra om fel har uppstått eller inte. Dock, Gottesman, Kitaev, och Preskill kom på att även om den exakta positionen och rörelsemängden för en partikel inte kunde mätas, det var möjligt att upptäcka mycket små förändringar till dess position och momentum. Dessa förändringar kan avslöja att ett fel har inträffat, gör det möjligt att skjuta tillbaka systemet till rätt tillstånd. Detta felkorrigerande schema, känd som GKP efter dess upptäckare, har nyligen implementerats i supraledande kretsanordningar.

"Fel är okej men bara om vi vet att de inträffar, säger Preskill, en medförfattare på Physical Review X-uppsatsen och även den vetenskapliga koordinatorn för ett nytt vetenskapscenter finansierat av energidepartementet som heter Quantum Systems Accelerator. "Hela poängen med felkorrigering är att maximera mängden kunskap vi har om potentiella fel."

I den nya tidningen, detta koncept tillämpas på roterande molekyler i superposition. Om orienteringen eller rörelsemängden för molekylen ändras med en liten mängd, dessa skiftningar kan korrigeras samtidigt.

"Vi vill spåra kvantinformationen när den utvecklas under bruset, " säger Albert. "Ljudet sparkar oss lite. Men om vi har en noggrant vald överlagring av molekylernas tillstånd, vi kan mäta både orientering och rörelsemängd så länge de är tillräckligt små. Och då kan vi sparka tillbaka systemet för att kompensera."

Jacob Covey, en medförfattare på tidningen och tidigare Caltech-postdoktor som nyligen började på fakulteten vid University of Illinois, säger att det kan vara möjligt att så småningom individuellt kontrollera molekyler för användning i kvantinformationssystem som dessa. Han och hans team har gjort framsteg i att använda optiska laserstrålar, eller "pincett, " att kontrollera enskilda neutrala atomer (neutrala atomer är en annan lovande plattform för kvantinformationssystem).

"Molekylernas överklagande är att de är mycket komplexa strukturer som kan packas väldigt tätt, " säger Covey. "Om vi ​​kan ta reda på hur vi kan använda molekyler i kvantberäkningar, vi kan robust koda information och förbättra effektiviteten där qubits packas."

Albert säger att trion av sig själv, Förkunskaper, och Covey gav den perfekta kombinationen av teoretisk och experimentell expertis för att uppnå de senaste resultaten. Han och Preskill är båda teoretiker medan Covey är en experimentalist. "Det var verkligen trevligt att ha någon som John som hjälpte mig med ramverket för all denna teori om felkorrigerande koder, och Jake gav oss avgörande vägledning om vad som händer i labb."

Säger Preskill, "Det här är ett papper som ingen av oss tre kunde ha skrivit på egen hand. Det som är riktigt roligt med området kvantinformation är att det uppmuntrar oss att interagera över några av dessa klyftor, och Caltech, med sin lilla storlek, är det perfekta stället att få detta gjort."

De Fysisk granskning X studien har titeln "Robust kodning av en qubit i en molekyl."