Kvantekommunikation styres med resonans i 'kunstige atomer'

Forskere fra Niels Bohr Institutet har sammen med kolleger i USA og Australien udviklet en metode til at kontrollere kvante-bits til elektronisk kvantekommunikation i en serie af kvantepunkter, der fungerer som kunstige atomer i faste stoffer. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Physical Review Letters.

I en almindelig computer er informationerne opbygget af bits, som består af 0- og 1-taller. I en kvantecomputer kan informationerne være opbygget af elektroner, som i deres spin-position vender enten op eller ned, og det udgør dermed 0- og 1-tallerne.

I kvanteverdenen kan 0- og 1-stadierne eksistere samtidigt, hvilket tillader en slags parallel databehandling, som betyder, at store mængder af databeregninger kan udføres af maskinen samtidigt. Det vil kunne gøre kvantecomputere eksponentielt hurtigere end almindelige computere. Problemet med den atomare kvanteverden er imidlertid, at man ikke kan kontrollere elektronernes position uden at måle dem, og når man måler på dem påvirker man dem. Dermed forsvinder den kvantemekaniske magi.

"Vi har udviklet en metode, hvor vi kan kontrollere elektronerne, så deres kvantestadier kan blive kontrolleret uden at måle på dem. Vi anvender en kendt resonansmetode fra atomar fysikken og udnytter den i såkaldt kunstige atomer", fortæller professor Charles Marcus, leder af Center for Kvante-Elektronik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Han forklarer, at de kombinerer klassisk faststoffysik på nanometerskala med den atomare kvantefysiks resonansteknik. I et halvledermateriale (GaAs) er der frie elektroner, som bevæger sig mellem materialets atomstruktur. De frie elektroner kan bruges til at sende kvanteinformationer. Informationerne ligger i elektronernes spin, som kan vende op eller ned, men elektronerne og deres spin skal styres.

Fanger elektroner og styrer dem

"Vi fanger derfor elektronerne i 'bokse'. Hver boks består af et kvantepunkt, som er et kunstigt atom. Kvantepunkterne er indlejret i halvlederen, og hvert kvantepunkt kan indfange én elektron. Der skal være tre kvantepunkter ved siden af hinanden med elektrostatiske porte i nanometer skala mellem dem. Når vi åbner for kontakt mellem 'boksene' kan elektronerne mærke hinandens tilstedeværelse. De tre elektroner må koordinere orienteringen af deres spin, da det koster ekstra energi at have to elektroner med samme spinretning ved siden af hinanden. For at nedsætte energien, vil de ikke alene sprede sig ud i alle tre bokse, de vil også straks vende sig, så de ligger op-ned-op eller ned-op-ned. De tre bokse udgør tilsammen er én enhed – en qubit eller kvante-bit", forklarer Charles Marcus.

Der sendes nu et elektrisk signal ind udefra, og ved hjælp af hurtige åbninger mellem boksene sker der det, at systemet nu begynder at svinge i dynamiske vibrationer. Det kan forskerne bruge til at ændre elektronernes kvantemekaniske tilstand.

"Ved at kombinere tre elektroner i et tredobbelt kvantepunkt og tilføre svingninger af et elektrisk felt på den frekvens, som adskiller de tilstødende energiniveauer, kan vi altså styre elektronernes spin uden at måle på dem", fortæller Charles Marcus.

Kvantecomputere til ekstreme opgaver

I første omgang er det selve teknikken, der er opfundet. Næste skridt er ikke bare én sekvens med tre kvantepunkter, men flere sekvenser. Hver sekvens danner én cubit, og nu skal rækken af cubits snakke sammen. Det vil kunne realisere en kvantecomputer med flere bits.

"Perspektivet i en kvantecomputer er, at den vil kunne udføre flere beregninger på én gang. Dermed vil den være langt hurtigere end almindelige computere, og den vil kunne løse opgaver, der slet ikke kan løses idag, fordi det simpelthen tager for lang tid", siger Charles Marcus.

Kvantecomputere forventes ikke at bliver hvermandseje, men derimod et avanceret redskab til brug for f.eks. forskere, der har brug for ekstreme beregninger.

Forskningen er beskrevet i tre artikler i Physical Review Letters:

1. Quantum-Dot-Based Resonant Exchange Qubit >>
2. Electrically Protected Resonant Exchange Qubits in Triple Quantum Dots >>
3. Two-Qubit Gates for Resonant Exchange Qubits >>