Jättiläissuperatomit ja kvanttilaskennan suurin ongelma

Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat esitelleet uuden teoreettisen suunnitelman kvanttijärjestelmille, jotka perustuvat "jättiläissuperatomeihin". Tämä konsepti tarjoaa uuden tavan suojata, hallita ja jakaa kvantti-informaatiota, mikä voi tuoda tutkijat lähemmäksi suuren mittakaavan kvanttitietokoneiden rakentamista.

"Kvanttijärjestelmät ovat poikkeuksellisen tehokkaita, mutta myös äärimmäisen hauraita. Avain niiden hyödyllisyyteen on oppia hallitsemaan niiden vuorovaikutusta ympäröivän ympäristön kanssa", sanoo postdoc-tutkija Lei Du.

Lei Du on tämän uudentyyppisen kvanttijärjestelmän hahmottelevan tutkimuksen päätekijä. Järjestelmä perustuu jättimäisiin superatomeihin, joissa yhdistyvät useita tärkeitä ominaisuuksia. Nämä järjestelmät vähentävät dekoherenssia, pysyvät vakaina ja koostuvat useista toisiinsa kytkeytyneistä "atomeista", jotka toimivat yhdessä yhtenä yksikkönä.

Jättiläisatomit yhdistävät kaksi aiemmin erillistä kvanttifysiikan käsitettä: jättiläisatomit ja superatomit. Vaikka kumpaakin on tutkittu erikseen, tämä on ensimmäinen kerta, kun ne on yhdistetty yhdeksi järjestelmäksi. Nämä rakenteet käyttäytyvät kuten atomit, mutta niitä ei esiinny luonnossa. Sen sijaan tiedemiehet ovat suunnitelleet ne.

Jättiläisatomi suunnitellaan tyypillisesti kubitiksi. Toisin kuin tavalliset atomit, se on yhteydessä valo- tai ääniaaltoihin useissa, fyysisesti erillisissä pisteissä. Tämä mahdollistaa sen vuorovaikutuksen ympäristönsä kanssa useissa paikoissa samanaikaisesti, mikä auttaa sitä säilyttämään kvantti-informaatiota.

"Yhdestä liitäntäpisteestä lähtevät aallot voivat kulkea ympäristön läpi ja palata vaikuttamaan atomiin toisessa pisteessä – samalla tavalla kuin kuulisit oman äänesi kaiun ennen kuin olet lopettanut puhumisen. Tämä itsevuorovaikutus johtaa erittäin hyödyllisiin kvanttiefekteihin, vähentää dekoherenssia ja antaa järjestelmälle eräänlaisen muistin aiemmista vuorovaikutuksista", selittää Anton Frisk Kockum.

Vaikka jättiläisatomit ovat edistäneet ymmärrystämme kvanttifysiikasta, niillä on ollut rajoituksia lomittumisen suhteen. Tämän rajoituksen voittamiseksi tutkimusryhmä yhdisti jättiläisatomit superatomien käsitteeseen. Superatomi koostuu useista luonnollisista atomeista, joilla on sama kvanttitila ja jotka käyttäytyvät yhdessä kuin yksi suurempi atomi.

Tämän yhdistelmän odotetaan helpottavan kvanttiviestinnän, verkkojen ja erittäin herkkien mittausjärjestelmien tarvittavien monimutkaisten kvanttitilojen luomista.

"Jättiläissuperatomi voidaan kuvitella useiden jättiläisatomien muodostamaksi kokonaisuudeksi, joka toimii yhdessä ja jossa valon ja aineen välillä on epäpaikallinen vuorovaikutus. Tämä mahdollistaa useiden kubittien kvantti-informaation tallentamisen ja hallinnan yhdessä yksikössä ilman yhä monimutkaisempia ympäröiviä piirejä", Lei Du selittää.

"Jättimäiset superatomit avaavat oven täysin uusille ominaisuuksille ja antavat meille tehokkaan työkalupakin. Ne antavat meille mahdollisuuden hallita kvantti-informaatiota ja luoda lomittumista tavoilla, jotka olivat aiemmin erittäin vaikeita tai jopa mahdottomia", sanoo Janine Splettstoesser.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttitietokoneet siirtyvät moniulotteiseen tekniikkaan

Laskentaa atomien kanssa