Conventionele computers slaan informatie op in een bit, een fundamentele eenheid van logica die een waarde van 0 of 1 kan aannemen. Quantumcomputers vertrouwen op kwantumbits, ook bekend als een "qubits, " als hun fundamentele bouwstenen. Bits in traditionele computers coderen een enkele waarde, ofwel een 0 of een 1. De toestand van een qubit, daarentegen, kan tegelijkertijd een waarde van zowel 0 als 1 hebben. Deze eigenaardige eigenschap, een gevolg van de fundamentele wetten van de kwantumfysica, resulteert in de dramatische complexiteit in kwantumsystemen.

Quantum computing is een opkomend en zich snel ontwikkelend veld dat belooft deze complexiteit te gebruiken om problemen op te lossen die moeilijk op te lossen zijn met conventionele computers. Een belangrijke uitdaging voor quantum computing, echter, is dat het vereist dat grote aantallen qubits samenwerken - wat moeilijk te bereiken is terwijl interacties met de buitenomgeving worden vermeden die de qubits van hun kwantumeigenschappen zouden beroven.

Nieuw onderzoek uit het lab van Oskar Painter, John G Braun Hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Natuurkunde bij de Afdeling Engineering en Toegepaste Wetenschappen, onderzoekt het gebruik van supergeleidende metamaterialen om deze uitdaging te overwinnen.

Metamaterialen zijn speciaal ontworpen door materialen met meerdere componenten te combineren op een schaal die kleiner is dan de golflengte van licht, waardoor ze de mogelijkheid hebben om te manipuleren hoe lichtdeeltjes, of fotonen, gedragen. Metamaterialen kunnen worden gebruikt om te reflecteren, draai, of focus lichtbundels op bijna elke gewenste manier. Een metamateriaal kan ook een frequentieband creëren waar de voortplanting van fotonen volledig verboden wordt, een zogenaamde "fotonische bandgap".

Het Caltech-team gebruikte een fotonische bandgap om microgolffotonen op te sluiten in een supergeleidend kwantumcircuit, het creëren van een veelbelovende technologie voor het bouwen van toekomstige kwantumcomputers.

"In principe, dit is een schaalbaar en flexibel substraat waarop complexe circuits kunnen worden gebouwd voor het onderling verbinden van bepaalde soorten qubits, " zegt schilder, leider van de groep die het onderzoek heeft uitgevoerd, die werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 12 september. "Je kunt niet alleen spelen met de ruimtelijke ordening van de connectiviteit tussen qubits, maar men kan de connectiviteit ook zo ontwerpen dat deze alleen op bepaalde gewenste frequenties plaatsvindt."

Painter en zijn team creëerden een kwantumcircuit dat bestaat uit dunne films van een supergeleider - een materiaal dat elektrische stroom doorlaat met weinig tot geen energieverlies - getraceerd op een siliciummicrochip. Deze supergeleidende patronen transporteren microgolven van het ene deel van de microchip naar het andere. Wat maakt dat het systeem in een kwantumregime werkt, echter, is het gebruik van een zogenaamd Josephson-knooppunt, die bestaat uit een atomair dunne niet-geleidende laag tussen twee supergeleidende elektroden. De Josephson-junctie creëert een bron van microgolffotonen met twee verschillende en geïsoleerde toestanden, zoals de grond van een atoom en opgewonden elektronische toestanden, die betrokken zijn bij de emissie van licht, of, in de taal van kwantumcomputers, een qubit.

"Supergeleidende kwantumcircuits stellen je in staat fundamentele kwantumelektrodynamische experimenten uit te voeren met behulp van een elektrisch microgolfcircuit dat eruitziet alsof het rechtstreeks van je mobiele telefoon zou kunnen zijn gerukt, Painter zegt. "Wij geloven dat het uitbreiden van deze circuits met supergeleidende metamaterialen toekomstige kwantumcomputertechnologieën mogelijk kan maken en de studie van complexere kwantumsystemen kan bevorderen die buiten ons vermogen liggen om te modelleren met behulp van zelfs de krachtigste klassieke computersimulaties."

Het artikel is getiteld "Supergeleidende metamaterialen voor kwantumelektrodynamica van golfgeleiders."