Uusi temppu tuo vakautta kvanttioperaatioihin

Kvanttitietokoneiden rakentamiseen tarvittavia kubitteja on erilaisia. Viime vuosina monet tutkimuslaitokset ja yritykset ovat keskittyneet suprajohtaviin piireihin ja loukkuun jääviin ioneihin.

Laservalolla loukkuun jääneillä neutraaleilla atomeilla on kuitenkin paljon etuja: koska niillä ei ole sähkövarausta, ne ovat vähemmän herkkiä häiriöille. Lisäksi laservalolla loukkuun jääminen helpottaa useiden tuhansien kubittien toteuttamista yhdessä järjestelmässä – suprajohteilla tai ioneilla se on paljon vaikeampaa.

Neutraaleilla atomeilla on myös omat ongelmansa mutta ETH Zürichin tutkijaryhmä professori Tilman Esslingerin johdolla on onnistunut toteuttamaan swap-portin eli kvanttivaihdon erittäin laadukkaasti käyttämällä vain geometrista vaihetta.

Tämä geometrinen vaihe aiheuttaa hiukkasten tilan vaihtumisen niiden kulkeman reitin mukaan, eikä ulkoisten häiriöiden vuoksi. Juuri tämä tekee järjestelmästä erittäin kestävän kokeellista kohinaa vastaan.

Lisäksi tutkijat pystyivät osoittamaan, että porttia voidaan soveltaa useisiin tuhansiin kubitteihin samanaikaisesti. Tulokset tasoittavat tietä tulevaisuuden kehitykselle kvanttitietokoneissa, joissa käytetään neutraaleja atomeja.

Vaihto eli swap-portti vaihtaa kahden kubitin kvanttitilat. Vaihtoportit ovat tärkeitä kvantti-informaation reitittelyille suuressa kvanttitietokoneessa.

”Muutama vuosi sitten tutkijat onnistuivat toteuttamaan tällaisia portteja käyttämällä neutraaleja atomeja niiden alhaisimmassa energiatilassa, tosin hyödyntäen tunneloinnin ja törmäysten aiheuttamia dynaamisia vaiheita”, sanoo postdoc Yann Kiefer.

Geometriset vaiheet ovat sitä vastoin abstraktimpia. Ne syntyvät esimerkiksi, kun elektronin spinin suunta muuttuu. Kun spiniä kierretään 360 astetta, se osoittaa lopulta samaan suuntaan, mutta sen aaltofunktion vaihe eroaa nyt 180 astetta.

Tällä tavalla Esslinger ja hänen tiiminsä onnistuivat nyt toteuttamaan vaihtoportin. Ensin he ansoittivat erittäin kylmiä kaliumatomeja optisiin hiloihin. Lasersäteillä taituroiden he pystyivät nyt tuomaan atomipareja, joiden spin-tilat toimivat kubitteina, niin lähelle toisiaan, että niiden aaltofunktiot osuivat päällekkäin avaruudellisesti.

Koska käytetyt kaliumatomit olivat fermioneja, jotka kvanttimekaniikan lakien mukaan eivät saa olla täsmälleen samassa kvanttitilassa, manipulointi johti geometriseen vaiheeseen. ”Toisin kuin dynaamisissa vaiheissa, tämä geometrinen vaihe on pitkälti riippumaton atomien käsittelynopeudesta tai laserin intensiteetin vaihtelusta prosessin aikana”, selittää Konrad Viebahn. Tulos: erittäin vankka vaihtoportti, joka vaihtaa kahden kubitin tilat alle millisekunnissa 99,91 prosentin tarkkuudella – samanaikaisesti 17 000 kubittiparille!

Tutkijoiden näkemyksen mukaan työ esittelee uuden kvanttilogiikan mallin, joka muuttaa perussymmetriat, mukaan lukien kvanttitilastot, tehokkaaksi resurssiksi vikasietoiseen laskentaan.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiportteja, hyperlomittumista ja kvanttisuodatin

Tutkijat tekevät harppauksen kvanttilaskentaan