Wetenschappers van het Institute for Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago hebben twee doorbraken bereikt in de zoektocht naar de ontwikkeling van kwantumtechnologie. In een studie, ze verstrengelden voor het eerst twee kwantumbits met geluid; in een andere, ze bouwden tot nu toe de hoogste kwaliteit langeafstandsverbinding tussen twee qubits. Het werk brengt ons dichter bij het benutten van kwantumtechnologie om krachtigere computers te maken, ultragevoelige sensoren en veilige transmissies.

"Beide zijn transformatieve stappen voorwaarts naar kwantumcommunicatie, " zei co-auteur Andrew Cleland, de John A. MacLean Sr. Professor in Molecular Engineering aan het aan IME en UChicago gelieerde Argonne National Laboratory. Een leider in de ontwikkeling van supergeleidende kwantumtechnologie, leidde hij het team dat de eerste 'kwantummachine' bouwde, " demonstreert kwantumprestaties in een mechanische resonator. "Een van deze experimenten toont de precisie en nauwkeurigheid die we nu kunnen bereiken, en de andere demonstreert een fundamenteel nieuw vermogen voor deze qubits."

Wetenschappers en ingenieurs zien enorm potentieel in kwantumtechnologie, een veld dat de vreemde eigenschappen van de kleinste deeltjes in de natuur gebruikt om informatie te manipuleren en door te geven. Bijvoorbeeld, onder bepaalde omstandigheden, twee deeltjes kunnen "verstrengeld" zijn - hun lot is met elkaar verbonden, zelfs als ze niet fysiek met elkaar verbonden zijn. Door deeltjes te verstrengelen kun je allerlei coole dingen doen, zoals informatie direct naar de ruimte verzenden of onhackbare netwerken maken.

Maar de technologie heeft nog een lange weg te gaan - letterlijk:een enorme uitdaging is het verzenden van kwantuminformatie over een aanzienlijke afstand, langs kabels of vezels.

In een studie gepubliceerd op 22 april in Natuurfysica , Het lab van Cleland was in staat om een ​​systeem te bouwen van supergeleidende qubits die kwantuminformatie uitwisselden langs een spoor van bijna een meter lang met een extreem hoge betrouwbaarheid - met veel hogere prestaties die eerder zijn aangetoond.

"De koppeling was zo sterk dat we een kwantumfenomeen kunnen aantonen dat 'quantum ping-pong' wordt genoemd - het verzenden en vervolgens vangen van individuele fotonen terwijl ze terugkaatsen, " zei Youpeng Zhong, een afgestudeerde student in de groep van Cleland en de eerste auteur van het artikel.

Een van de doorbraken van wetenschappers was het bouwen van het juiste apparaat om het signaal te verzenden. De sleutel was het correct vormen van de pulsen - in een boogvorm, zoals het langzaam openen en sluiten van een klep, tegen precies het juiste tarief. Deze methode van het 'afknijpen' van de kwantuminformatie hielp hen om zo'n helderheid te bereiken dat het systeem een ​​gouden standaardmeting van kwantumverstrengeling kon doorstaan, een Bell-test genoemd. Dit is een primeur voor supergeleidende qubits, en het zou nuttig kunnen zijn voor het bouwen van kwantumcomputers en voor kwantumcommunicatie.

De andere studie, gepubliceerd op 26 april in Wetenschap , toont een manier om twee supergeleidende qubits met geluid te verstrengelen.

Een uitdaging voor wetenschappers en ingenieurs bij het ontwikkelen van kwantumtechnologie is om kwantumsignalen van het ene medium naar het andere te kunnen vertalen. Bijvoorbeeld, microgolflicht is perfect voor het transporteren van kwantumsignalen in chips. "Maar je kunt geen kwantuminformatie door de lucht sturen in microgolven; het signaal wordt gewoon overspoeld, ' zei Cleland.

Het team bouwde een systeem dat de microgolftaal van de qubits kon vertalen in akoestisch geluid en het over de chip kon laten reizen - met behulp van een ontvanger aan de andere kant die de omgekeerde vertaling zou kunnen doen.

Het vereiste wat creatieve engineering:"Magnetrons en akoestiek zijn geen vrienden, dus moesten we ze op twee verschillende materialen scheiden en die op elkaar stapelen, " zei Audrey Bienfait, een postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van het onderzoek. "Maar nu we hebben laten zien dat het mogelijk is, het opent een aantal interessante nieuwe mogelijkheden voor kwantumsensoren."