Foto av vakuumkammaren. Genom fönstret in i vakuumkammaren i mitten av bilden kan man se hållaren för resonatorns speglar. Mellan speglarna genererar ultrakalla atomer interaktionen mellan fotonerna. Kredit:Max Planck Society
Framtida kvantdatorer förväntas inte bara lösa särskilt knepiga beräkningsuppgifter, utan också vara anslutna till ett nätverk för säkert utbyte av data. I princip skulle kvantportar kunna användas för dessa ändamål. Men hittills har det inte varit möjligt att realisera dem med tillräcklig effektivitet. Genom en sofistikerad kombination av flera tekniker har forskare vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) nu tagit ett stort steg mot att övervinna detta hinder.
I decennier har datorer blivit snabbare och kraftfullare för varje ny generation. Denna utveckling gör det möjligt att ständigt öppna upp nya applikationer, till exempel i system med artificiell intelligens. Men ytterligare framsteg blir allt svårare att uppnå med etablerad datateknik. Av den anledningen siktar nu forskare på alternativa, helt nya koncept som kan användas i framtiden för några särskilt svåra datoruppgifter. Dessa koncept inkluderar kvantdatorer.
Deras funktion är inte baserad på kombinationen av digitala nollor och ettor – de klassiska bitarna – som är fallet med konventionella, mikroelektroniska datorer. Istället använder en kvantdator kvantbitar, eller qubits för kort, som de grundläggande enheterna för kodning och bearbetning av information. De är motsvarigheter till bitar i kvantvärlden – men skiljer sig från dem i en avgörande egenskap:qubits kan inte bara anta två fasta värden eller tillstånd som noll eller ett, utan också alla värden däremellan. I princip ger detta möjlighet att utföra många beräkningsprocesser samtidigt istället för att bearbeta den ena logiska operationen efter den andra.
Tappsäker kommunikation med optiska qubits
"Det finns olika sätt att fysiskt implementera konceptet qubits", säger Thomas Stolz, som har forskat om grunderna för kvantdatorer vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching. "En av dem är optiska fotoner." Och i sin forskning förlitade Stolz och hans kollegor i teamet ledd av Dr. Stephan Dürr och MPQ-direktör Prof. Dr. Gerhard Rempe också sådana ljuspartiklar från det synliga spektralområdet. "En fördel med fotoner som informationsbärare i en kvantdator är deras låga interaktion med varandra och med miljön", förklarar Stolz. "Detta förhindrar att koherensen, som är nödvändig för existensen av qubits, snabbt förstörs av yttre störningar." Dessutom kan fotoner transporteras över långa avstånd, till exempel i en optisk fiber. "Detta gör dem till en särskilt lovande kandidat för att bygga kvantnätverk", säger Stolz:anslutningar av flera kvantdatorer över vilka krypterad data kan överföras ovillkorligt säkert – och tillförlitligt skyddade mot avlyssningsförsök.
De grundläggande komponenterna i en kvantdator – och därmed också i ett kvantnätverk – är kvantportar. De motsvarar i sitt funktionssätt de logiska grindar som används i konventionella datormaskiner, men är skräddarsydda för de speciella egenskaperna hos qubits. "Kvantumportar för qubits implementerade i fångade joner eller supraledande material är för närvarande de mest tekniskt avancerade", förklarar Stephan Dürr. "Men att förverkliga ett sådant element med fotoner är mycket mer utmanande." För i det här fallet förvandlas fördelen med svaga interaktioner till en påtaglig nackdel. För, för att kunna bearbeta information, måste ljuspartiklarna kunna påverka varandra. Forskarna vid MPQ har visat hur detta effektivt kan uppnås i en artikel som nu har publicerats i den öppna tidskriften Physical Review X .
Tidigare försök att realisera kvantportar som länkar två fotoner till varandra har bara varit delvis framgångsrika. De led främst av sin låga effektivitet på i bästa fall 11 %. Detta innebär att en stor del av ljuspartiklarna, och därmed också av datan, går förlorade när de bearbetas i kvantsystemet – en brist, särskilt när många kvantportar ska kopplas samman i följd i ett kvantnätverk och förlusterna summerar sig som en resultat. "Däremot har vi för första gången lyckats realisera en optisk två-qubit-grind med en genomsnittlig effektivitet på mer än 40 %", rapporterar Stephan Dürr – nästan fyra gånger det tidigare rekordet.
Experimentuppställning. Beroende på qubitarnas initiala tillstånd färdas fotonerna längs olika vägar, av vilka några reflekteras av resonatorn. I denna väg upplever fotonerna en interaktion, som förmedlas av Rydbergs tillstånd. Kredit:Max Planck Society
Ultrakalla atomer i en resonator
"Själva grunden för denna framgång var användningen av icke-linjära komponenter", förklarar Stolz. De finns i en ny experimentell plattform som teamet på MPQ utvecklat specifikt för experimentet och installerat i labbet. Därmed kunde forskarna bygga vidare på sina erfarenheter från tidigare arbeten som de hade publicerat under 2016 och 2019. Ett resultat av detta var att det är användbart för informationsbehandling med fotoner att använda en kall, atomär gas i vilken ett fåtal atomer är mycket upphetsade energiskt. "Atomerna förmedlar den nödvändiga interaktionen mellan fotonerna", förklarar Stolz. "Men tidigare arbeten har också visat att atomernas täthet inte får vara för hög, annars raderas den kodade informationen snabbt vid kollisioner mellan atomerna." Därför använde forskarna nu en atomgas med låg densitet, som de kylde till en temperatur på 0,5 mikrokelvin — en halv miljondels grad över absoluta nollpunkten vid minus 273,15 grader Celsius. "Som en extra förstärkare för interaktionen mellan fotonerna placerade vi de ultrakalla atomerna mellan speglarna på en optisk resonator", rapporterar Stolz.
Detta ledde till framgången för experimentet, där kvantgrinden bearbetade de optiska kvantbitarna i två steg:En första foton, kallad kontrollfoton, infördes i resonatorn och lagrades där. Sedan kom en andra foton, kallad målfoton, in i uppställningen och reflekterades från resonatorspeglarna - "ögonblicket när interaktionen ägde rum", betonar Stolz. Slutligen lämnade båda fotonerna kvantporten – tillsammans med informationen som var präglad på dem. För att detta skulle fungera använde fysikerna ett annat knep. Detta är baserat på elektronexcitationer av gasatomerna till mycket höga energinivåer, kallade Rydberg-tillstånd. "Detta får den exciterade atomen - i den klassiska bilden - att expandera oerhört," förklarar Stolz. Den når en radie på upp till en mikrometer – flera tusen gånger atomens normala storlek. Atomerna i resonatorn som blåses upp på detta sätt gör det då möjligt för fotonerna att ha en tillräckligt stark effekt på varandra. Detta orsakar emellertid initialt endast en fasförskjutning. Dessutom delas ljuset upp i olika banor som senare överlagras. Endast den kvantmekaniska interferensen under denna superposition förvandlar fasförskjutningen till en kvantgrind.
Målet:Skalbara kvantsystem
Experimentet föregicks av en komplicerad teoretisk analys. MPQ-teamet hade speciellt utvecklat en omfattande teoretisk modell för att optimera designprocessen för den nya forskningsplattformen. Ytterligare teoretiska undersökningar visar på hur forskarna hoppas kunna förbättra effektiviteten hos sin optiska kvantgrind i framtiden. De vill också ta reda på hur quantum gate kan skalas upp till större system - genom att bearbeta många qubits samtidigt. "Våra experiment hittills har redan visat att detta är möjligt i princip", säger Gerhard Rempe, chef för gruppen. Han är övertygad:"Våra nya rön kommer att vara till stor nytta i utvecklingen av ljusbaserade kvantdatorer och kvantnätverk." + Utforska vidare
