Fysiker har länge misstänkt att dielektriska material avsevärt kan störa jonfällande kvantdatorer. Nu, forskare under ledning av Tracy Northup har utvecklat en ny metod för att kvantifiera denna felkälla för första gången. För den framtida driften av kvantdatorer med väldigt många kvantbitar, sådana bullerkällor måste om möjligt elimineras redan under konstruktionsprocessen.

Kvantteknologier är baserade på ljusets kvantegenskaper, elektroner, och atomer. Under de senaste decennierna, forskare har lärt sig att bemästra dessa fenomen och utnyttja dem i tillämpningar. Således, konstruktionen av en kvantdator för kommersiella tillämpningar kommer också inom räckhåll. En av de framväxande teknologierna som för närvarande utvecklas mycket framgångsrikt är jonfälla kvantdatorer. Här, laddade partiklar fångas med elektromagnetiska fält i en vakuumkammare och förbereds på ett sådant sätt att de kan fungera som informationsbärare och användas för datoranvändning, vilket inkluderar att kyla dem till de lägsta temperaturer som tillåts av kvantmekaniken.

Dock, de kvantmekaniska egenskaperna som utnyttjas i denna process är mycket felbenägna. Även de minsta bristerna kan värma upp de starkt kylda partiklarna och därigenom leda till fel i bearbetningen av kvantinformation. Möjliga källor till sådana fel är svagt ledande eller icke-ledande material, som används, till exempel, som isolatorer i en metallisk jonfälla, eller optik, som är nödvändiga för att koppla joner med laserljus.

"Även för jonfällor gjorda uteslutande av metall, oxidskikt på metallerna skulle orsaka sådana fel, " förklarar Tracy Northup vid Institutionen för experimentell fysik vid universitetet i Innsbruck i Österrike. Northups team, tillsammans med medarbetare i Innsbruck och i USA, har hittat ett sätt att bestämma inverkan av dielektriska material på de laddade partiklarna i jonfällor.

Experimentellt bekräftat

Detta uppnåddes eftersom Innsbrucks kvantfysiker har en jonfälla där de exakt kan ställa in avståndet mellan jonerna och dielektrisk optik. Baserat på ett tidigare förslag från Rainer Blatts grupp, fysikerna beräknade mängden brus som orsakades av det dielektriska materialet för denna jonfälla och jämförde den med data från experiment. "Teori och experiment stämmer mycket väl överens, bekräftar att denna metod är väl lämpad för att bestämma inverkan av dielektriska material på jonerna, " förklarar Markus Teller från Innsbruck-teamet. För att beräkna ljudet, det så kallade fluktuationsförsvinnande teoremet från statistisk fysik användes, som matematiskt beskriver svaret hos ett system i termisk jämvikt på en liten yttre störning.

"I kvantdatorer, det finns många möjliga bullerkällor, och det är mycket svårt att reda ut de exakta källorna, " säger Tracy Northup. "Vår metod är den första att kvantifiera inverkan av dielektriska material i en given jonfälla på de laddade partiklarna. I framtiden, designers av jonfälla kvantdatorer kommer att kunna bedöma denna effekt mycket mer exakt och designa sina enheter för att minimera dessa störningar."

Efter att framgångsrikt ha demonstrerat metoden på sin egen jonfälla, Innsbruck-fysikerna vill nu tillämpa det på jonfällor från kollaboratörer i USA och Schweiz.