Neutronspredning bringer os et skridt nærmere kvantecomputeren

For at bygge fremtidens kvantecomputer behøver man et sted at opbevare kvanteinformationen – det man kalder ”kvantebits” eller "qubits" - (Det der svarer til bits og bytes i en traditionel computer). Nu er adskillige forskergrupper i færd med at eksperimentere med forskellige ideer til, hvordan dette lader sig gøre i praksis.

Et team af kemikere og fysikere fra Niels Bohr Institutet og Kemisk Institut ved Københavns Universitet, samt samarbejdspartnere fra Tyskland, Frankrig, Schweiz, Spanien og USA, har undersøgt muligheden for at fremstille qubits ud af metalorganiske molekyler, hvor der befinder sig en enkelt magnetisk ion i hvert molekyle.

I disse "nanomagneter" er den særlige udfordring, at tilfældige bevægelser i omverdenen kan forstyrre de magnetiske ioner, således at kvanteinformationen går tabt før man kan nå at udføre beregninger med den. Selv ved ultralave temperaturer lige over det absolutte nulpunkt (0,05 Kelvin), hvor al bevægelse ”normalt” går i stå, kan systemet alligevel blive udsat for kvantemekaniske forstyrrelser, også kendt som "tunnellering".

Mikkel Agerbæk Sørensen, der er førsteforfatter til studiet forklarer, at det at undertrykke tunneleringen betragtes som en af de største udfordringer i fremstillingen af nye nanomagneter med faktiske anvendelsesmuligheder: ”der findes adskillige teoretiske modeller for, hvordan man kommer tunneleringen til livs i sådanne molekylebaserede magneter. Med dette studie har vi som de første kunne eftervise den førende model eksperimentelt”.

Ændringer i molekylets form en del af løsningen

Forskerne har fundet ud af, hvordan man med en kombination af kemisk syntese og avanceret måling af energiniveauer kan foretage ganske små ændringer i molekylets form, der kan undertrykke tunneleringen. Og dermed kan beregningerne foretages inden informationen går tabt. Til at måle energiniveauerne anvendte forskerne spredning af neutroner, som kun kan foretages på store internationale forskningsfaciliteter - i dette tilfælde i München i Tyskland og Grenoble i Frankrig.

Der er stadig langt til at kunne anvende disse nanomagneter til en praktisk kvantecomputer, men forskerne har nu fundet endnu et "kontrolhåndtag", nemlig molekylets geometriske form, der kan anvendes til at komme tættere på målet. Med opførelsen af den hidtil største neutron-facilitet (ESS) i Lund i Sverige, vil forskerne få endnu bedre muligheder for at måle og forstå tunnelering, og derved komme tættere på at kunne kontrollere den - og i sidste ende bane vejen frem mod kvantecomputeren.

For at kunne forstå kvanteopførslen af en molekylebaseret magnet, er det nødvendigt at måle molekylets energiniveauer meget nøjagtigt. Dette gøres bedst med såkaldt uelastisk neutronspredning. Sådanne eksperimenter kan kun foretages ved brug af instrumenter placeret på store internationale forskningsfaciliteter. Med opførslen af ESS får forskere ved Københavns Universitet endnu bedre muligheder for at foretage sådanne studier. Her ses Mikkel Agerbæk Sørensen ved indgangen til instrumentet IN6 ved Institut Laue-Langevin i Grenoble. Foto: fra filmen ESS (se filmen til højre)

Forskningen har indgået som en vigtig del af Ph.D. studiet for Mikkel Agerbæk Sørensen (førsteforfatter, forsvarer sin Ph.D. afhandling 2018) og Ursula Bengaard Hansen (forsvarede sin Ph.D. afhandling 31/8 2017).

• Link til den videnskabelige artikel i Nature Communications >>

Mikkel Agerbæk Sørensen, Ph.d.-studerende, Kemisk Institut, Københavns Universitet, Email: mikkel.agerbaek@chem.ku.dk hjemmeside: http://www.ki.ku.dk

Ursula Bengård Hansen, Postdoc, X-ray and Neutron Science, Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, Email: uhansen@nbi.ku.dk Telefon: +45 60 47 86 15

Kim Lefmann, Lektor, X-ray and Neutron Science, Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, Email: lefmann@nbi.ku.dk Telefon: +45 29 25 04 76

Jesper Bendix, Professor, Kemisk Institut ved Københavns Universitet, Email: bendix@kiku.dk, Telefon: +45 35 32 01 01