Forskare inom kvantteknologi vid Chalmers tekniska högskola har lyckats utveckla en teknik för att kontrollera kvanttillstånd av ljus i en tredimensionell hålighet. Förutom att skapa tidigare kända tillstånd, är forskarna de första någonsin att demonstrera det länge eftertraktade kubiska fastillståndet. Genombrottet är ett viktigt steg mot effektiv felkorrigering i kvantdatorer.

"Vi har visat att vår teknik är i paritet med de bästa i världen", säger Simone Gasparinetti, som är chef för en forskargrupp i experimentell kvantfysik på Chalmers och en av studiens seniorförfattare.

Precis som en konventionell dator är baserad på bitar som kan ta värdet 0 eller 1, använder den vanligaste metoden för att bygga en kvantdator ett liknande tillvägagångssätt. Kvantmekaniska system med två olika kvanttillstånd, så kallade kvantbitar (qubits), används som byggstenar. Ett av kvanttillstånden tilldelas värdet 0 och det andra värdet 1. Men på grund av det kvantmekaniska tillståndet för superposition kan kvantbitar anta både tillstånd 0 och 1 samtidigt, vilket gör att en kvantdator kan bearbeta enorma mängder data med möjligheten att lösa problem långt utanför räckhåll för dagens superdatorer.

Första gången någonsin för kubisk fas

Ett stort hinder för förverkligandet av en praktiskt användbar kvantdator är att de kvantsystem som används för att koda informationen är benägna att brus och störningar, vilket orsakar fel. Att rätta till dessa fel är en viktig utmaning i utvecklingen av kvantdatorer. Ett lovande tillvägagångssätt är att ersätta qubits med resonatorer – kvantsystem som, istället för att bara ha två definierade tillstånd, har ett mycket stort antal av dem. Dessa tillstånd kan jämföras med en gitarrsträng, som kan vibrera på många olika sätt. Metoden kallas kontinuerlig-variabel kvantberäkning och gör det möjligt att koda värdena 1 och 0 i flera kvantmekaniska tillstånd i en resonator.

Men att kontrollera tillstånden för en resonator är en utmaning som kvantforskare över hela världen brottas med. Och resultaten från Chalmers ger ett sätt att göra det. Tekniken som utvecklats vid Chalmers gör det möjligt för forskare att generera praktiskt taget alla tidigare påvisade kvanttillstånd av ljus, som till exempel Schrödingers katt eller Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) tillstånd, och kubisk fastillstånd, ett tillstånd som tidigare endast beskrivits i teorin.

"Kubisk fastillstånd är något som många kvantforskare har försökt skapa i praktiken i tjugo år. Att vi nu har lyckats göra detta för första gången är en demonstration av hur väl vår teknik fungerar, men det viktigaste framsteg är att det finns så många tillstånd av varierande komplexitet och vi har hittat en teknik som kan skapa vilken som helst av dem, säger Marina Kudra, doktorand vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap och studiens huvudförfattare.

Förbättring av grindhastighet

Resonatorn är en tredimensionell supraledande kavitet gjord av aluminium. Komplexa superpositioner av fotoner fångade inuti resonatorn genereras genom interaktion med en sekundär supraledande krets.

Fotonernas kvantmekaniska egenskaper styrs genom att applicera en uppsättning elektromagnetiska pulser som kallas grindar. Forskarna lyckades först använda en algoritm för att optimera en specifik sekvens av enkla förskjutningsgrindar och komplexa SNAP-grindar för att generera fotonernas tillstånd. När de komplexa grindarna visade sig vara för långa hittade forskarna ett sätt att göra dem kortare med hjälp av optimala styrmetoder för att optimera de elektromagnetiska pulserna.

"Den drastiska förbättringen av hastigheten på våra SNAP-grindar gjorde det möjligt för oss att mildra effekterna av dekoherens i vår kvantkontroller, vilket förde den här tekniken ett steg framåt. Vi har visat att vi har full kontroll över vårt kvantmekaniska system", säger Simone Gasparinetti.

Eller, för att uttrycka det mer poetiskt:

"Jag fångade ljus på en plats där det trivs och formade det i några verkligt vackra former", säger Marina Kudra.

Achieving this result was also dependent on the high quality of the physical system (the aluminum resonator itself and the superconducting circuit.) Marina Kudra has previously shown how the aluminum cavity is created by first milling it, and then making it extremely clean by methods including heating it to 500 degrees Centigrade and washing it with acid and solvent. The electronics that apply the electromagnetic gates to the cavity were developed in collaboration with the Swedish company Intermodulation Products.

Research part of WACQT research program

The research was conducted at Chalmers within the framework of the Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT), a comprehensive research program, the aim of which is to make Swedish research and industry leaders in quantum technology. The initiative is led by Professor Per Delsing and a main goal is to develop a quantum computer.

"At Chalmers we have the full stack for building a quantum computer, from theory to experiment, all under one roof. Solving the challenge of error correction is a major bottleneck in the development of large-scale quantum computers, and our results are proof for our culture and ways of working," says Per Delsing. + Explore further

Quantum computer works with more than zero and one