De kwantumfysica bepaalt op kleine schaal de wetten die het universum domineren. Het vermogen om kwantumverschijnselen te benutten kan leiden tot machines zoals kwantumcomputers, waarvan wordt voorspeld dat ze bepaalde berekeningen veel sneller zullen uitvoeren dan conventionele computers. Een groot probleem bij het bouwen van kwantumprocessors is dat het volgen en besturen van kwantumsystemen in realtime een moeilijke taak is omdat kwantumsystemen overweldigend kwetsbaar zijn:het onzorgvuldig manipuleren van deze systemen introduceert aanzienlijke fouten in het eindresultaat. Nieuw werk van een team bij Aalto zou kunnen leiden tot nauwkeurige kwantumcomputers.

De onderzoekers rapporteren het beheersen van kwantumverschijnselen in een op maat ontworpen elektrisch circuit dat een transmon wordt genoemd. Het koelen van een transmon-chip tot binnen een paar duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt induceert een kwantumtoestand, en de chip begint zich te gedragen als een kunstmatig atoom. Een van de kwantumkenmerken die onderzoekers interesseren, is dat de energie van de transmon alleen specifieke waarden kan aannemen, energieniveaus genoemd. De energieniveaus zijn als treden op een ladder:een persoon die de ladder beklimt, moet een trede bezetten, en kan niet ergens tussen twee stappen zweven. Hetzelfde, de transmonenergie kan alleen de ingestelde waarden van de energieniveaus innemen. Stralende microgolven op het circuit zorgen ervoor dat de transmon de energie absorbeert en de sporten van de ladder beklimt.

In werk gepubliceerd op 8 februari in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , de groep van Aalto University onder leiding van Docent Sorin Paraoanu, universitair hoofddocent bij de faculteit Technische Natuurkunde, heeft de transmon meer dan één energieniveau in één keer doen springen. Eerder, dit was alleen mogelijk door zeer zachte en langzame aanpassingen van de microgolfsignalen die het apparaat besturen. In het nieuwe werk een extra microgolfstuursignaal dat op een zeer specifieke manier is gevormd, maakt een snelle, nauwkeurige verandering van het energieniveau. Dr. Antti Vepsäläinen, de hoofdauteur, zegt, "We hebben een gezegde in Finland:'hiljaa hyvää tulee' (doet het langzaam). Maar we zijn erin geslaagd om dat aan te tonen door voortdurend de toestand van het systeem te corrigeren, we kunnen dit proces sneller en betrouwbaarder aansturen."

Dr. Sergey Danilin, een van de co-auteurs, beschrijft kwantumcontrole - het proces waarbij chips zoals transmonen worden gebruikt om kwantumcomputers te bouwen - door de analogie van 'een ladder beklimmen' uit te breiden. "Om een ​​bruikbaar kwantumsysteem te krijgen, je moet je voorstellen dat je een ladder beklimt terwijl je een glas water vasthoudt - het werkt als je het soepel doet, maar als je het te snel doet, het water morst. Zeker, dit vereist een speciale vaardigheid."

De onderzoekers ontdekten dat in de kwantumwereld, de truc om snel op de ladder te klimmen zonder water te morsen, is door voorzichtig over twee sporten tegelijk te springen. Deze verkorting van de energieladder werd bereikt door de transmon twee microgolffotonen tegelijkertijd te laten absorberen. De natuurwetten leggen een beperking op hoe snel een kwantumenergie-omschakeling kan plaatsvinden, zelfs met kortere wegen, een beperking die de 'kwantumsnelheidslimiet' wordt genoemd. Tot hun vreugde, de Aalto-wetenschappers ontdekten dat hun nieuwe methode resulteerde in veranderingen in het energieniveau die plaatsvonden met snelheden die dicht bij deze theoretisch berekende limiet lagen.

De bredere impact van het beheersen van energieoverdrachten met hoge snelheid in kwantumsystemen is ook opwindend voor het team. Van potentieel groot belang zijn kwantumcomputer- en kwantumsimulatietoepassingen, wat snelle en zeer robuuste operaties vereist, zoals het voorbereiden van de toestand en het maken van kwantumpoorten. Dr. Paraoanu ziet andere kansen, ook:"We willen graag meer inzicht krijgen in de processen die verband houden met energieoverdracht, die alomtegenwoordig zijn in de natuurlijke wereld en in de technologie die ons omringt. Bijvoorbeeld, zijn er fundamentele grenzen aan hoe snel we de batterij van een elektrische auto kunnen opladen?" In het zich snel ontwikkelende gebied van kwantumtechnologieën, het is mogelijk dat deze nieuwe besturingsmethode meerdere toepassingen zal vinden.