Kvantecomputere: Elegant løsning på støj

Et internationalt forskerhold ledet af forskere ved Niels Bohr Institutet (NBI), Københavns Universitet, har fundet en banebrydende alternativ tilgang. Deres metode udnytter støjen i stedet for at fjerne den. Det øger effektiviteten af den grundlæggende informationsenhed i kvantecomputeren, en qubit, med 700 procent.

Resultaterne offentliggøres i det ansete videnskabelige tidsskrift Nature Communications.

“Det har vist sig særdeles svært at forebygge støj i kvantesystemer, fordi stort set en hvilken som helst forandring i omgivelserne kan være ødelæggende. For eksempel kan et kvantesystem virke under et bestemt magnetisk eller elektrisk felt, og hvis feltet ændrer sig det mindste, vil kvanteeffekterne bryde sammen. Vi har en helt anderledes tilgang.

I stedet for at fjerne støjen overvåger vi den i real-tid og tilpasser systemet til de ændringer i omgivelserne, som optræder,” siger Fabrizio Berritta, ph.d.-studerende ved NBI og hovedforfatter til den videnskabelige artikel.

Den nye tilgang er kun mulig takket være nylige fremskridt inden for en række højteknologiske områder.

”Tidligere, for måske tyve år siden, ville det have været muligt efterfølgende at visualisere de ændringer i omgivelserne, som var sket under et eksperiment, men det ville have taget alt for lang tid til at have praktisk betydning. Vi udnytter FPGA (field-programable-gate-array, ed.) teknologi til at få målingerne i real-tid. Desuden bruger vi machine learning til at accelerere analysen,” forklarer Fabrizio Berritta og tilføjer:

”Hele ideen er at få målingerne og udføre analysen i den samme mikroprocessor, som tilpasser systemet i real-tid. Ellers ville metoden være for langsom til anvendelse i en kvantecomputer.”

Kvantemekaniske egenskaber skaber værdi

I dagens computere er den grundlæggende enhed, en bit, knyttet til elektronen. Værdien kan kun være 1 eller 0; enten er der en elektron, eller der er ingen. Den tilsvarende enhed i kvantecomputeren, en qubit, kan have flere værdier end to. Mængden af information per quibit vil blive forøget eksponentielt i takt med, at man bliver i stand til at kontrollere flere kvanteegenskaber. Dermed kan kvantecomputere blive nærmest ufatteligt kraftige.

En hjørnesten i kvantemekanikken er, at elementarpartiklerne ikke blot har masse og ladning, men også spin. Et andet nøglebegreb er ”entanglement”, der betegner, at partikler er forbundet på en måde, der gør det umuligt at beskrive kvantetilstanden af en partikel uafhængigt af en eller flere andre partikler.

Protokollen bag de nye resultater integrerer en enkelt-trippel spin qubit indsat i en dobbelt kvante-dråbe af gallium-arsenid. Denne qubit rummer to elektroner med kvantetilstanden af begge elektroner sammenfiltret (entangled).

Intet forskerhold kunne have klaret det alene

Tidligere forskning blandt andet på NBI har vist, at denne type qubit er lovende, men lige som andre typer af qubits har den hidtil været følsom over for ændringer i omgivelserne. Fysikerne bruger udtrykket støj, som dog ikke skal forstås bogstaveligt som akustisk støj. Stort set en hvilken som helst form for forstyrrelse er i stand til at ødelægge kvanteeffekterne.

Den anvendte qubit var særligt interessant i forbindelse med den nye protokol, fordi det allerede var godt beskrevet, hvordan den påvirkes af både magnetisk og elektrisk støj. Det var sket i studier på NBI ledet af professor Ferdinand Kuemmeth, som står i spidsen for en forskergruppe inden for halvledende og superledende kvantematerialer.

Det nye projekt, som er finansieret af EU, har samlet forskningsgrupper fra NBI, Purdue University og Norges Teknisk-Naturvidenskabelige Universitet samt virksomhederne QDevil (København) og Quantum Machines (Tel Aviv). Sammen dækker grupperne bl.a. kvantematerialer, fremstilling af qubits, teknologi til qubit-kontrol, teoretisk kvanteinformatik samt machine learning.

”Samarbejdet illustrerer, at udvikling af kvantecomputere ikke længere er en aktivitet for enkelte forskningsgrupper. Tag en hvilken som helst af partnerne ud, og det havde ikke været muligt at opnå resultaterne,” siger Ferdinand Kuemmeth.

En smartere tilgang til støj

Forskerne ser den nye protokol som en milepæl i udviklingen af kvantecomputere, men erkender samtidig, at der skal mange yderligere fremskridt til.

”For os bliver det næste skridt at overføre den nye protokol til systemer med andre materialer og til systemer med mere end en enkelt qubit,” siger Fabrizio Berritta og sammenfatter:

”Jeg kan ikke forudsige, hvornår den første kvantecomputer bliver en realitet. Måske om ti år. Men under alle omstændigheder har vi fundet en lovende tilgang. Mange kolleger er optaget af at udvikle bedre qubits ved at forebygge støj for eksempel ved at forbedre de materialer, som bruges til at fremstille qubits. Vi har demonstreret, at det kan være muligt i stedet at tilpasse sig støjen. Det kan være relevant for andre typer af qubits ud over den, som vi har anvendt i vores projekt.”