Quantum computing heeft het potentieel om technologie te revolutioneren, medicijn, en wetenschap door snellere en efficiëntere processors te bieden, sensoren, en communicatieapparatuur.

Maar het overdragen van informatie en het corrigeren van fouten binnen een kwantumsysteem blijft een uitdaging om effectieve kwantumcomputers te maken.

In een paper in het journaal Natuur , onderzoekers van de Purdue University en de University of Rochester, waaronder John Nichol, een assistent-professor natuurkunde, en Rochester Ph.D. studenten Yadav P. Kandel en Haifeng Qiao, demonstreren hun methode voor het doorgeven van informatie door de staat van elektronen over te dragen. Het onderzoek brengt wetenschappers een stap dichter bij het creëren van volledig functionele kwantumcomputers en is het nieuwste voorbeeld van Rochester's initiatief om kwantumgedrag beter te begrijpen en nieuwe kwantumsystemen te ontwikkelen. De universiteit ontving onlangs een subsidie ​​van $ 4 miljoen van het Department of Energy om kwantummaterialen te onderzoeken.

Quantumcomputers

Een kwantumcomputer werkt volgens de principes van de kwantummechanica, een unieke reeks regels die gelden op de extreem kleine schaal van atomen en subatomaire deeltjes. Bij het omgaan met deeltjes op deze schalen, veel van de regels die de klassieke fysica beheersen, zijn niet langer van toepassing en kwantumeffecten ontstaan; een kwantumcomputer is in staat om complexe berekeningen uit te voeren, factor extreem grote getallen, en het gedrag van atomen en deeltjes simuleren op niveaus die klassieke computers niet kunnen.

Kwantumcomputers hebben de potentie om meer inzicht te geven in principes van natuur- en scheikunde door het gedrag van materie onder ongebruikelijke omstandigheden op moleculair niveau te simuleren. Deze simulaties kunnen nuttig zijn bij het ontwikkelen van nieuwe energiebronnen en het bestuderen van de omstandigheden van planeten en sterrenstelsels of het vergelijken van verbindingen die kunnen leiden tot nieuwe medicamenteuze therapieën.

"Jij en ik zijn kwantumsystemen. De deeltjes in ons lichaam gehoorzamen aan de kwantumfysica. Maar, als je probeert te berekenen wat er met alle atomen in ons lichaam gebeurt, je kunt het niet op een gewone computer doen, " zegt Nichol. "Een kwantumcomputer zou dit gemakkelijk kunnen doen."

Kwantumcomputers kunnen ook deuren openen voor snellere zoekopdrachten in databases en cryptografie.

"Het blijkt dat bijna alle moderne cryptografie is gebaseerd op de extreme moeilijkheid voor gewone computers om grote getallen te ontbinden, Nichol zegt. "Quantumcomputers kunnen gemakkelijk grote getallen ontbinden en encryptieschema's breken, dus je kunt je voorstellen waarom veel regeringen hierin geïnteresseerd zijn."

Bits versus qubits

Een gewone computer bestaat uit miljarden transistors, bits genoemd. Kwantumcomputers, anderzijds, zijn gebaseerd op kwantumbits, ook wel qubits genoemd, die kan worden gemaakt van een enkel elektron. In tegenstelling tot gewone transistors, die ofwel "0" of "1 kan zijn, " qubits kunnen tegelijkertijd "0" en "1" zijn. De mogelijkheid voor individuele qubits om deze "superpositietoestanden" in te nemen, " waar ze tegelijkertijd in meerdere staten zijn, ligt ten grondslag aan het grote potentieel van kwantumcomputers. Net als gewone computers, echter, kwantumcomputers hebben een manier nodig om informatie tussen qubits uit te wisselen, en dit vormt een grote experimentele uitdaging.

"Een kwantumcomputer moet veel qubits hebben, en ze zijn echt moeilijk te maken en te bedienen, Nichol zegt. "De state-of-the-art op dit moment doet iets met slechts een paar qubits, dus we zijn nog ver verwijderd van het realiseren van het volledige potentieel van kwantumcomputers."

alle computers, waaronder zowel gewone als kwantumcomputers en apparaten zoals smartphones, moet ook foutcorrectie uitvoeren. Een gewone computer bevat kopieën van bits, dus als een van de bits kapot gaat, "de rest gaat gewoon een meerderheid van stemmen halen" en de fout herstellen. Echter, kwantumbits kunnen niet worden gekopieerd, Nichol zegt, "Dus je moet heel slim zijn in hoe je fouten corrigeert. Wat we hier doen is een stap in die richting."

Elektronen manipuleren

Kwantumfoutcorrectie vereist dat individuele qubits interageren met veel andere qubits. Dit kan moeilijk zijn omdat een individueel elektron is als een staafmagneet met een noordpool en een zuidpool die zowel naar boven als naar beneden kan wijzen. De richting van de pool - of de noordpool nu naar boven of naar beneden wijst, bijvoorbeeld - staat bekend als het magnetische moment van het elektron of de kwantumtoestand.

Als bepaalde soorten deeltjes hetzelfde magnetische moment hebben, ze kunnen niet tegelijkertijd op dezelfde plaats zijn. Dat is, twee elektronen in dezelfde kwantumtoestand kunnen niet op elkaar zitten.

"Dit is een van de belangrijkste redenen waarom zoiets als een cent, die is gemaakt van metaal, stort niet in zichzelf, " zegt Nichol. "De elektronen duwen zichzelf uit elkaar omdat ze niet tegelijkertijd op dezelfde plaats kunnen zijn."

Als twee elektronen in tegengestelde toestand zijn, ze kunnen op elkaar zitten. Een verrassend gevolg hiervan is dat als de elektronen dicht genoeg bij elkaar zijn, hun staten zullen in de tijd heen en weer wisselen.

"Als je één elektron hebt dat naar boven is en een ander elektron dat naar beneden is en je duwt ze samen voor precies de juiste hoeveelheid tijd, zij zullen ruilen, " zegt Nichol. "Ze wisselden niet van plaats, maar hun toestanden veranderden."

Om dit fenomeen te forceren, Nichol en zijn collega's koelden een halfgeleiderchip af tot extreem lage temperaturen. Met behulp van kwantumstippen - halfgeleiders op nanoschaal - vingen ze vier elektronen op een rij op, bewogen vervolgens de elektronen zodat ze in contact kwamen en hun toestanden veranderden.

"Er is een gemakkelijke manier om de toestand tussen twee naburige elektronen te veranderen, maar doen over lange afstanden - in ons geval, het zijn vier elektronen - vereist veel controle en technische vaardigheid, Nichol zegt. "Ons onderzoek toont aan dat dit nu een haalbare manier is om informatie over lange afstanden te verzenden."

Een eerste stap

De toestand van een elektron heen en weer verzenden over een reeks qubits, zonder de positie van elektronen te verplaatsen, geeft een treffend voorbeeld van de mogelijkheden die de kwantumfysica biedt voor de informatiewetenschap.

"Dit experiment toont aan dat informatie in kwantumtoestanden kan worden overgedragen zonder daadwerkelijk de individuele elektronenspins door de keten te verplaatsen, " zegt Michael Manfra, een professor in de natuurkunde en astronomie aan de Purdue University. "Het is een belangrijke stap om te laten zien hoe informatie kwantummechanisch kan worden overgedragen - op manieren die heel anders zijn dan onze klassieke intuïtie ons zou doen geloven."

Nichol vergelijkt dit met de stappen die leidden van de eerste computerapparatuur naar de computers van vandaag. Dat gezegd hebbende, zullen we ooit allemaal kwantumcomputers hebben om onze desktopcomputers te vervangen? "Als je die vraag aan IBM had gesteld in de jaren zestig, ze zouden waarschijnlijk nee hebben gezegd, er is geen manier dat dat gaat gebeuren, ' zegt Nichol. 'Dat is nu mijn reactie. Maar, wie weet?"