Forskare har hittat ett sätt att skydda mycket ömtåliga kvantsystem från buller, som kan hjälpa till med design och utveckling av nya kvantenheter, såsom ultrakraftfulla kvantdatorer.

Forskarna, från University of Cambridge, har visat att mikroskopiska partiklar kan förbli inneboende kopplade, eller intrasslad, över långa avstånd även om det finns slumpmässiga störningar mellan dem. Med hjälp av kvantteorins matematik, de upptäckte en enkel installation där intrasslade partiklar kan förberedas och stabiliseras även i närvaro av brus genom att dra fördel av en tidigare okänd symmetri i kvantsystem.

Deras resultat, redovisas i tidskriften Fysiska granskningsbrev , öppna ett nytt fönster in i den mystiska kvantvärlden som kan revolutionera framtida teknik genom att bevara kvanteffekter i bullriga miljöer, vilket är det enskilt största hindret för att utveckla sådan teknik. Att utnyttja denna förmåga kommer att vara kärnan i ultrasnabba kvantdatorer.

Kvantsystem bygger på partiklars märkliga beteende på atomnivå och kan revolutionera hur komplexa beräkningar utförs. Medan en vanlig datorbit är en elektrisk omkopplare som kan ställas in på antingen ett eller noll, en kvantbit, eller qubit, kan ställas in på en, noll, eller båda samtidigt. Vidare, när två qubits är intrasslade, en operation på den ena påverkar omedelbart den andra, oavsett hur långt ifrån varandra de är. Detta dubbla tillstånd är det som ger en kvantdator dess kraft. En dator byggd med entangled qubits istället för normala bitar skulle kunna utföra beräkningar långt utöver kapaciteten hos även de mest kraftfulla superdatorerna.

"Dock, qubits är extremt petiga saker, och minsta lilla buller i deras omgivning kan få deras intrassling att bryta, " sa Dr Shovan Dutta från Cambridges Cavendish Laboratory, tidningens första författare. "Tills vi kan hitta ett sätt att göra kvantsystem mer robusta, deras verkliga tillämpningar kommer att vara begränsade."

Flera företag – framför allt, IBM och Google – har utvecklat fungerande kvantdatorer, även om dessa hittills har begränsats till mindre än 100 qubits. De kräver nästan total isolering från buller, och även då, har mycket kort livslängd på några mikrosekunder. Båda företagen har planer på att utveckla 1000 qubit kvantdatorer inom de närmaste åren, men om inte stabilitetsproblemen är övervunna, kvantdatorer kommer inte att nå praktisk användning.

Nu, Dutta och hans medförfattare professor Nigel Cooper har upptäckt ett robust kvantsystem där flera par qubits förblir intrasslade även med mycket brus.

De modellerade ett atomsystem i en gitterformation, där atomer interagerar starkt med varandra, hoppar från en plats av gallret till en annan. Författarna fann om brus lades till i mitten av gallret, det påverkade inte intrasslade partiklar mellan vänster och höger sida. Denna överraskande egenskap är resultatet av en speciell typ av symmetri som bevarar antalet sådana intrasslade par.

"Vi förväntade oss inte alls den här stabiliserade typen av förveckling, " sa Dutta. "Vi snubblade över denna dolda symmetri, vilket är mycket ovanligt i dessa bullriga system."

De visade att denna dolda symmetri skyddar de intrasslade paren och låter deras antal kontrolleras från noll till ett stort maxvärde. Liknande slutsatser kan appliceras på en bred klass av fysiska system och kan realiseras med redan existerande ingredienser i experimentella plattformar, banar väg för kontrollerbar intrassling i en bullrig miljö.

"Okontrollerade miljöstörningar är dåliga för att överleva kvanteffekter som intrassling, men man kan lära sig mycket genom att medvetet konstruera specifika typer av störningar och se hur partiklarna reagerar, " sa Dutta. "Vi har visat att en enkel form av störning faktiskt kan producera – och bevara – många intrasslade par, vilket är ett stort incitament för experimentell utveckling på detta område."

Forskarna hoppas kunna bekräfta sina teoretiska fynd med experiment inom nästa år.