23. maj 2022

Kvantetromme kan nu opbevare kvantetilstande i rekordlang tid

Kvantecomputer:

Forskere ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, har forbedret anvendelsestiden for en tidligere udviklet kvantemembram dramatisk. Forbedringen vil udvide anvendelsesmulighederne for membranen til at omfatte en række forskellige muligheder. Med en sammenhængende arbejdstid på nu et hundrede millisekunder, kan membranen lagre følsom kvanteinformation sikkert i tilstrækkelig tid til, at den kan indgå i en række processer - fx i en kvantecomputer. Resultatet er nu publiceret i Nature Portfolio

Her ses enheden, som er anvendt i arbejdet. Den firkantede struktur tæt ved centrum er det superledende kredsløb og den røde prik i centrum korresponderer med linket til membranens bevægelser. Den perforerede gitterstruktur er nødvendig for at isolere membranens bevægelser, som primært sker ved den røde priks position.

Kvantetrommen er nu forbundet til en aflæsningsenhed

For første gang har forskerne nu kombineret membranen med et superledende mikrobølgekredsløb, som muliggør præcise aflæsninger fra membranen. Den er blevet ”koblet til”, med andre ord, en åbenlys nødvendighed, hvis membranens egenskaber skal anvendes til andre applikationer. Med denne udvikling kan membranen forbindes til forskellige andre enheder, som behandler eller sender kvanteinformation.

Afkøling af kvantetrommen for at nå kvante-grundtilstanden

Siden det omgivende miljøs temperatur er afgørende for niveauet af tilfældige kræfter, som forstyrrer membranen, er det afgørende at nå en tilstrækkeligt lav temperatur for at forhindre kvante-grundtilstanden i at forsvinde. Forskerne har opnået dette ved hjælp af en helium-baseret køleenhed. Ved hjælp af mikrobølge-kredsløbet, kan de derpå kontrollere membranens bevægelser i kvantetilstanden. Igennem deres seneste arbejde, har det vist sig, at forskerne har kunnet præparere membranen i sin kvante-grundtilstand, hvor dens bevægelser er domineret af kvantefluktuationer. Kvante-grundtilstanden svarer til en effektiv temperatur på 0,00005 grader over det absolutte nulpunkt, som er -273,15 °C.

Applikationerne for den nu tilsluttede kvantemembran er mangfoldige

Man kan anvende en let modificeret udgave af dette system, som kan opfange kræfter fra både mikrobølge- og optiske signaler til at bygge en kvante-transducer, som kan omsætte signalet fra mikrobølger til optik. Kvanteinformation kan nemlig transporteres over flere kilometer gennem optiske fibre uden forstyrrelser ved stuetemperatur. På den anden side bliver informationen typisk behandlet inden i en køleenhed, som kan opnå en tilstrækkeligt lav temperatur til at et superledende kredsløb som membranen kan fungere, som beskrevet ovenfor. Idet man forbinder de to systemer - fra superledende kredsløb til optiske fibre – er det dermed muligt at konstruere et kvante-internet: Adskillige kvantecomputere koblet sammen via optiske fibre. Ingen computere råder over uendelig plads, så muligheden for at distribuere computerkræfter og –kapacitet til forbundne kvantecomputere, ville stærkt forbedre evnen til at løse komplicerede problemer.

Tyngdekraften – ikke velforstået i kvantemekanikken, men afgørende – kan nu undersøges nærmere

Tyngdekraftens rolle i kvante-regimet er stadig et ubesvaret og fundamentalt spørgsmål i fysikken. Dette er endnu et sted, hvor den lange anvendelses-tid for de membraner, der her demonstreres, kan anvendes til studier. En af hypoteserne er, at tyngdekraften har potentiale til at ødelægge nogle kvantetilstande over tid. Med en enhed, der er så stor som membranen, åbnes der mulighed for, at disse hypoteser kan testes i fremtiden.

Link til den videnskabelige artikel: https://www.nature.com/articles/s41467-022-29115-9