Symmetrian voimalla uusia kvanttitekniikoita

Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat löytäneet tavan hallita atomien pimeää tilaa ja kommunikoida sen kanssa hyödyntämällä luonnon omaa luontaista symmetriaa.

Tämä löytö avaa uuden oven kvanttilaskentaverkkojen sekä kvanttianturien rakentamiselle.

”Luonto pitää symmetrioista ja niin mekin. Kokeidemme perustana on innovatiivinen insinööritemppu, jossa ohjaamme ja hyödynnämme saatavilla olevia symmetrioita järjestelmässä, jota muuten on erittäin haastava kesyttää”, sanoo tohtori Aamir Ali.

Yksi houkutteleva tapa toteuttaa hajautetun kvanttilaskennan laajoja kvanttiverkkoja on käyttää keinotekoisia atomeja kubitteina.

Atomit ovat vuorovaikutuksessa valon kanssa absorboimalla tai emittoimalla fotoneja. Kuitenkin kahden tai useamman atomin ryhmä voi esiintyä superpositiotiloissa, joita kutsutaan tummiksi tiloiksi, joissa ne ovat täysin läpinäkyviä valolle. Se tarkoittaa, että ne eivät emittoi eivätkä absorboi valoa. Näillä pimeillä tiloilla on suuri potentiaali kvanttitekniikoissa, koska ne ovat immuuneja ulkoisille vaikutuksille ja häiriöille. Samasta syystä pimeiden tilojen hallitseminen ja niiden käyttäminen informaation vaihtoon on kuitenkin vaikea tehtävä.

Nyt Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet yksinkertaisen, erittäin tarkan menetelmän kahdesta toisiinsa liittyvästä keinotekoisesta atomista koostuvan molekyylin pimeiden tilojen hallitsemiseksi.

Luonto pyrkii symmetriaan luodakseen tasapainoa ja harmoniaa ja tämä pätee myös atomin energiatasoihin.

Tutkijoiden käyttämät kubitit koostuvat kahdesta kytketystä keinotekoisesta atomista. Kun fotoneja siirretään atomeihin aaltojohteen kautta, ne voivat olla vuorovaikutuksessa kahden käytettävissä olevan symmetrisen energiatason kanssa.

Aiemmassa tutkimuksesta poiketen Chalmersin tutkijat käyttivät nyt kahta aaltojohdetta, joista kumpikin oli kytketty eri symmetrisiin tiloihin. Keinotekoisten atomien symmetrisen energian jakautumisen vuoksi yksi aaltojohteista kytketään pimeään tilaan ja toinen sen täydentävään kirkkaaseen tilaan. Näin niitä voidaan manipuloida ja hallita toisistaan riippumatta.

Keinotekoiset atomit koostuvat elektronisista piireistä, jotka, aivan kuten todelliset atomit, voivat miehittää vain joukon tiettyjä – erillisiä – energiatasoja. Kun ne on kytketty kahteen aaltoputkeen, ne luovat jaetun rakenteen, joka hyödyntää kvantti-interferenssiä yhdistääkseen aaltojohteen kahteen eri symmetriaan, jotka atomien energiatasot voivat olettaa.

Tällaisten symmetrioiden kytkennän ansiosta energiasiirtymien valinta ja suunnittelu on helppoa. Tämä voidaan tehdä paljon helpommin ja tehokkaammin kuin aiemmin on osoitettu ilman, että tarvitsee käyttää hienostunutta vaihe- ja pulssiohjausta, mikä on tyypillistä vakioarkkitehtuurille.

Kyky hallita pimeitä tiloja tarjoaa uuden lähestymistavan kvanttiteknologioiden sovelluksiin. Uuden kytkennän avulla on mahdollista luoda pimeän tilan ja kirkkaan tilan välille kvanttilomittuminen, joka avaa uusia tapoja käsitellä kvantti-informaatiota ja välittää sitä kvanttiverkossa.

Lisäksi se mahdollistaa myös sellaisten anturien kehittämisen, jotka voivat absorboida matalan energian mikroaaltofotoneja. Tämän alueen fotonidetektori voisi edistää pimeän aineen havaitsemista universumissa.

Tutkijat aikovat myös hyödyntää näitä uusia tuloksia termodynamiikassa nähdäkseen, voidaanko kvanttimekaniikan lakeja hyödyntäen saavuttaa etuja myös moottoreissa tai akuissa.

Aiheista aiemmin:

Huonelämpötilassa toimivia keinotekoisia atomeja

Lupaava pari: pimeys ja kirkkaus

Älykäs kvanttianturi