Natuurkundigen van ETH Zürich hebben een vijf meter lange microgolfkwantumverbinding aangetoond, de langste in zijn soort tot nu toe. Het kan zowel worden gebruikt voor toekomstige kwantumcomputernetwerken als voor experimenten in fundamenteel kwantumfysica-onderzoek.

Samenwerking is alles, ook in de kwantumwereld. Om in de toekomst krachtige kwantumcomputers te bouwen, het zal nodig zijn om meerdere kleinere computers met elkaar te verbinden om een ​​soort cluster of lokaal netwerk (LAN) te vormen. Omdat die computers werken met kwantummechanische superpositietoestanden, die tegelijkertijd de logische waarden "0" en "1" bevatten, de koppelingen daartussen moeten ook 'kwantumkoppelingen' zijn.

De langste link tot nu toe gebaseerd op microgolven, vijf meter lang, werd onlangs gebouwd in het laboratorium van Andreas Wallraff, professor aan het Quantum Device Lab aan de ETH Zürich. De onderzoekers zouden hun resultaten daarover presenteren op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Physical Society in Denver. Vanwege de COVID-19 epidemische situatie, deze conferentie werd op korte termijn geannuleerd. In plaats daarvan, de wetenschappers rapporteren hun resultaten nu op een virtuele vervangingsconferentie.

"Dat is echt een mijlpaal voor ons, "Walraff legt uit, "Sinds nu kunnen we laten zien dat quantum-LAN's in principe mogelijk zijn. In de komende 10 tot 20 jaar, kwantumcomputers zullen er waarschijnlijk steeds meer op vertrouwen." Momenteel zijn er computers met enkele tientallen kwantumbits of qubits, maar enkele honderdduizenden van hen zijn bijna onmogelijk te huisvesten in bestaande apparaten. Een reden hiervoor is dat qubits gebaseerd op supergeleidende elektrische oscillatoren, zoals die worden gebruikt in de kwantumchips in het lab van Wallraff (en ook door IBM en Google), moeten worden afgekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt van -273, 15 graden Celsius. Dit onderdrukt thermische verstoringen die ertoe zouden leiden dat de kwantumtoestanden hun superpositie-eigenschap verliezen - dit staat bekend als decoherentie - en dus fouten in de kwantumberekeningen.

Extreme kou tegen decoherentie

"De uitdaging was om twee van die supergeleidende kwantumchips zo met elkaar te verbinden dat ze superpositietoestanden onderling kunnen uitwisselen met minimale decoherentie, " zegt Philipp Kurpiers, een voormalig Ph.D. student in de groep van Wallraff. Dit gebeurt door middel van microgolffotonen die door de ene supergeleidende oscillator worden uitgezonden en door een andere worden opgevangen. Tussenin, ze vliegen door een golfgeleider, dat is een metalen holte van enkele centimeters breed, die ook sterk moet worden gekoeld zodat de kwantumtoestanden van de fotonen niet worden beïnvloed.

Elk van de kwantumchips wordt gedurende meerdere dagen afgekoeld in een cryostaat (een extreem krachtige koelkast), met behulp van gecomprimeerd en ook vloeibaar helium, tot enkele honderdsten van een graad boven het absolute nulpunt. Daartoe, de vijf meter lange golfgeleider die de kwantumverbinding creëert, was uitgerust met een schaal bestaande uit verschillende lagen koperplaat. Elk van die platen fungeert als hitteschild voor de verschillende temperatuurtrappen van de cryostaat:-223 graden, -269 graden, -272 graden en tenslotte -273, 1 graden. Allemaal samen, die hitteschilden alleen al wegen ongeveer een kwart ton.

Geen "table-top" experiment

"Dus, dit is zeker geen "table-top"-experiment meer dat je op een kleine werkbank kunt samenstellen, Wallraff zegt. "Hier is veel ontwikkelingswerk in gestoken, en ETH is een ideale plek om zo'n ambitieus apparaat te bouwen. Het is een soort mini-CERN waar we eerst een aantal jaren aan hebben moeten bouwen om er nu interessante dingen mee te kunnen doen.” Behalve de drie promovendi die de experimenten uitvoerden, verschillende ingenieurs en technici, ook in de workshops bij ETH en bij het Paul Scherrer Institute (PSI), waren betrokken bij het produceren en construeren van de kwantumlink.

De natuurkundigen van ETH toonden niet alleen aan dat de quantumlink voldoende kan worden afgekoeld, maar ook dat het daadwerkelijk kan worden gebruikt om op betrouwbare wijze kwantuminformatie tussen twee kwantumchips te verzenden. Om dit aan te tonen, ze creëerden een verstrengelde toestand tussen de twee chips via de kwantumlink. Zulke verstrengelde staten, waarbij het meten van de ene qubit onmiddellijk het resultaat van een meting op de andere qubit beïnvloedt, kan ook worden gebruikt voor tests in fundamenteel kwantumonderzoek. In die "Bell-tests, " de qubits moeten ver genoeg van elkaar verwijderd zijn, zodat elke informatieoverdracht met de snelheid van het licht kan worden uitgesloten.

Terwijl Wallraff en zijn medewerkers experimenten uitvoeren met de nieuwe link, ze zijn al begonnen met het werken aan nog langere kwantumkoppelingen. Al een jaar geleden konden ze een tien meter lange verbinding voldoende afkoelen, maar zonder er kwantumexperimenten mee te doen. Nu werken ze aan een kwantumverbinding van 30 meter, waarvoor een kamer bij ETH speciaal is ingericht.