Tema

Naturens strävan efter symmetri kan ge bättre kvantdatorer

Symmetrisk ordning ger balans och harmoni. Naturen strävar efter symmetri − titta bara på en snöflinga. Atomers energinivåer har också symmetrier. Och genom att utnyttja dessa kan forskare ha kommit ett steg närmare kraftfulla kvantdatorer.

Utvecklingen av så kallade kvantdatorer är fortfarande i ett tidigt skede. Mycket arbete återstår innan de kan mäta sig med dagens största och mest utvecklade datorer. Men framöver kan storskaliga kvantdatorer, enligt forskare, bli överlägsna de mest avancerade ”vanliga” datorerna.

De datorer vi är vana vid använder binär kod, ettor och nollor, för att hantera information. En kvantdator bygger istället på nästan obegripligt små så kallade kvantbitar, som har förmågan att befinna sig i en så kallad superposition då de antar både värdena 0 och 1 samtidigt. Det gör att kvantdatorer kan hantera enorma mängder data.

Känsliga kvantdatorer

Superpositionerna är dock mycket känsliga och behöver skyddas från störningar och brus utifrån så att de inte kollapsar. Att bygga en storskalig kvantdator är en stor utmaning eftersom systemet blir allt känsligare i takt med att antalet kvantbitar ökar.

Utvecklingen av kvantnätverk, där beräkningar distribueras över flera sammanlänkade enheter, är därför ett hett forskningsområde.

Ett möjligt sätt att göra sådana nätverk är att använda artificiella atomer, se nedan, som kvantbitar.

Artificiell atom

En artificiell atom är en minimal bit ledande material där laddning och energinivåer fungerar på samma sätt som i en verklig atom. Precis som en riktig atom förändrar den sitt tillstånd genom att absorbera eller sända ut ljus vid en viss frekvens.

Högintressanta mörka tillstånd

Atomer interagerar naturligt med ljus genom att absorbera eller sända ut fotoner. Men två eller flera atomer kan tillsammans anta särskilda superpositioner som kallas mörka tillstånd, då de är helt genomskinliga för ljus – det vill säga varken absorberar eller sänder fotoner.

Sådana mörka tillstånd har stor potential inom kvantteknologin eftersom de är immuna mot extern påverkan och störningar. Av samma anledning är det svårt att kontrollera de mörka tillstånden och få dem att utbyta information.

En blomma i närbild

Symmetri i naturen. Bild: Erol Ahmed, Unsplash.

Mörka tillståndet kontrolleras

Nu har forskare i kvantteknologi på Chalmers utvecklat en enkel metod för att kunna kontrollera det mörka tillståndet i två sammankopplade artificiella atomer. Och det är här naturens strävan efter symmetri kommer in i bilden.

Kvantbiten som forskarna har använt är en molekyl med två sammankopplade artificiella atomer som består av supraledande kretsar, se faktaruta nedan. När ljuspartiklar, fotoner, skickas genom en så kallad vågledare in i atomerna kan fotonerna interagera med atomernas energinivåer i två olika tillgängliga symmetrier.

− Grunden till våra experiment är ett innovativt grepp där vi kontrollerar och nyttjar de tillgängliga symmetrierna i ett system som annars är mycket svårt att tämja, säger Chalmersforskaren Aamir Ali.

Supraledare och vågledare

Supraledare är material som har förmågan att leda elektrisk ström utan energiförlust när de kyls ner till mycket låga temperaturer.

Vågledare är en struktur som styr fotonerna i mikrovågssignaler.

Tidigare har man gjort det här genom att koppla en enda vågledare till kvantbiten, men Chalmersforskarna har i stället använt två vågledare som kopplas separat till vart och ett av de symmetriska tillstånden.

Möjligt att skapa kvantsammanflätning

På grund av den symmetriska energifördelningen i de artificiella atomerna kommer den ena vågledaren då att vara kopplad till ett mörkt tillstånd, och den andra till dess kompletterande ljusa tillstånd. Det gör tillstånden mottagliga för påverkan och kontroll oberoende av varandra.

Förmågan att kontrollera de mörka tillstånden innebär ett nytt angreppssätt för tillämpningar inom kvantteknologi. Med Chalmersforskarnas metod är det möjligt att skapa kvantsammanflätning, se nedan, mellan de ljusa och mörka tillstånden.

Kvantsammanflätning

Kvantsammanflätning innebär att när partiklar är sammanflätade kommer ändringen hos en av partiklarna medföra att egenskaperna hos de andra partiklarna också ändras, oberoende av avståndet mellan dem. Fenomenet belönades med Nobelpriset i fysik 2022.

Kan förbättra kvantnätverk

Det öppnar, enligt forskarna, för nya sätt att bearbeta kvantinformation och överföra den i kvantnätverk, vilket på sikt kan leda till bättre kvantdatorer.

Dessutom kan kvantsammanflätningen bidra till utveckling av sensorer som kan absorbera mikrovågsfotoner, något som skulle kunna användas för att påvisa universums mörka materia.

Forskarna kommer också att tillämpa sina nya resultat inom termodynamiken för att undersöka om kvantmekanikens lagar kan utnyttjas i motorer eller batterier.

− Vi kan konstruera syntetiska molekyler med unika symmetrier, vilket leder till nya sätt som molekylerna kan interagera med mikrovågsljus, säger Simone Gasparinetti, forskningsledare inom experimentell kvantfysik.

Så funkar det, enligt forskarna

De artificiella atomerna består av elektriska kretsar som, precis som verkliga atomer, bara kan ta upp bestämda, diskreta, energimängder.

När de artificiella atomerna ansluts till de två vågledarna bildar de en gemensam struktur som utnyttjar kvantinterferens för att koppla vågledarna till de två olika symmetrier som atomernas energinivåer kan anta.

Tack vare kopplingen till symmetrierna är det enkelt att välja och designa energiövergångarna. Detta kan göras på ett mycket mer effektivt och enklare sätt än vad som tidigare visats, utan att behöva använda komplicerad fas- och pulskontroll.

Vetenskaplig artikel:

Engineering Symmetry-Selective Couplings of a Superconducting Artificial Molecule to Microwave Waveguides (Mohammed Ali Aamir, Claudia Castillo Moreno, Simon Sundelin, Janka Biznárová, Marco Scigliuzzo, Kowshik Erappaji Patel, Amr Osman, D. P. Lozano, Ingrid Strandberg, och Simone Gasparinetti), Physical Review Letters.

Kontakt:

Aamir Ali, postdoktor vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, avdelningen för kvantteknologi, Chalmers tekniska högskola
aamir.ali@chalmers.se

Naturens strävan efter symmetri kan ge bättre kvantdatorer

 lästid ~ 4 min