De technologie achter de kwantumcomputers van de toekomst ontwikkelt zich snel, met verschillende benaderingen in de maak. Veel van de strategieën, of "blauwdrukken, " voor kwantumcomputers vertrouwen op atomen of kunstmatige atoomachtige elektrische circuits. In een nieuwe theoretische studie in het tijdschrift" Fysieke beoordeling X , een groep natuurkundigen van Caltech demonstreert de voordelen van een minder bestudeerde benadering die niet afhankelijk is van atomen maar van moleculen.

"In de kwantumwereld we hebben verschillende blauwdrukken op tafel en we verbeteren ze allemaal tegelijkertijd, " zegt hoofdauteur Victor Albert, de Lee A. DuBridge postdoctoraal geleerde in theoretische fysica. "Sinds 2001 denken mensen erover om moleculen te gebruiken om informatie te coderen. maar nu laten we zien hoe moleculen, die complexer zijn dan atomen, zou kunnen leiden tot minder fouten in quantum computing."

De kern van kwantumcomputers zijn zogenaamde qubits. Deze zijn vergelijkbaar met de bits in klassieke computers, maar in tegenstelling tot klassieke stukjes kunnen ze een bizar fenomeen ervaren dat bekend staat als superpositie, waarin ze in twee of meer toestanden tegelijk bestaan. Zoals het beroemde gedachte-experiment van Schrödinger's kat, die een kat beschrijft die tegelijkertijd dood en levend is, deeltjes kunnen in meerdere toestanden tegelijk bestaan. Het fenomeen superpositie vormt de kern van quantum computing:het feit dat qubits vele vormen tegelijk kunnen aannemen, betekent dat ze exponentieel meer rekenkracht hebben dan klassieke bits.

Maar de staat van superpositie is delicaat, omdat qubits de neiging hebben om uit hun gewenste toestand te bezwijken, en dit leidt tot rekenfouten.

"Bij klassieke informatica, je moet je zorgen maken over het wegdraaien van de bits, waarbij een '1' bit naar een '0' gaat of omgekeerd, die fouten veroorzaakt, " zegt Albert. "Dit is als het opgooien van een munt, en het is moeilijk om te doen. Maar bij kwantumcomputers de informatie wordt opgeslagen in fragiele superposities, en zelfs het kwantumequivalent van een windvlaag kan tot fouten leiden."

Echter, als een kwantumcomputerplatform qubits gebruikt die gemaakt zijn van moleculen, zeggen de onderzoekers, dit soort fouten worden eerder voorkomen dan bij andere kwantumplatforms. Een concept achter het nieuwe onderzoek komt van werk dat bijna 20 jaar geleden is uitgevoerd door Caltech-onderzoekers John Preskill, Richard P. Feynman hoogleraar theoretische fysica en directeur van het Institute of Quantum Information and Matter (IQIM), en Alexei Kitaev, de Ronald en Maxine Linde hoogleraar theoretische fysica en wiskunde aan Caltech, samen met hun collega Daniel Gottesman (Ph.D. '97) van het Perimeter Institute in Ontario, Canada. Vroeger, de wetenschappers stelden een maas in de wet voor die een manier zou bieden om een ​​fenomeen te omzeilen dat het onzekerheidsprincipe van Heisenberg wordt genoemd, die in 1927 werd geïntroduceerd door de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg. Het principe stelt dat men niet tegelijkertijd met zeer hoge precisie kan weten waar een deeltje zich bevindt en waar het naartoe gaat.

"Er is een grap waarbij Heisenberg wordt aangehouden door een politieagent die zegt dat hij weet dat de snelheid van Heisenberg 90 mijl per uur was. en Heisenberg antwoordt, 'Nu heb ik geen idee waar ik ben, ', zegt Albert.

Het onzekerheidsprincipe is een uitdaging voor kwantumcomputers omdat het impliceert dat de kwantumtoestanden van de qubits niet goed genoeg bekend zijn om te bepalen of er fouten zijn opgetreden. Echter, Gottesman, Kitaev, en Preskill kwamen erachter dat hoewel de exacte positie en het momentum van een deeltje niet konden worden gemeten, het was mogelijk om zeer kleine verschuivingen in zijn positie en momentum te detecteren. Deze verschuivingen kunnen aan het licht brengen dat er een fout is opgetreden, waardoor het mogelijk wordt om het systeem terug naar de juiste staat te duwen. Dit foutcorrectieschema, bekend als GKP naar zijn ontdekkers, is onlangs geïmplementeerd in supergeleidende circuitapparaten.

"Fouten zijn oké, maar alleen als we weten dat ze gebeuren, " zegt Preskill, een co-auteur van de Physical Review X-paper en ook de wetenschappelijke coördinator voor een nieuw door het Department of Energy gefinancierd wetenschappelijk centrum genaamd de Quantum Systems Accelerator. "Het hele punt van foutcorrectie is om de hoeveelheid kennis die we hebben over mogelijke fouten te maximaliseren."

In de nieuwe krant dit concept wordt toegepast op roterende moleculen in superpositie. Als de oriëntatie of het impulsmoment van het molecuul een kleine hoeveelheid verschuift, die verschuivingen kunnen gelijktijdig worden gecorrigeerd.

"We willen de kwantuminformatie volgen terwijl deze evolueert onder de ruis, " zegt Albert. "Het geluid schopt ons een beetje in het rond. Maar als we een zorgvuldig gekozen superpositie hebben van de toestanden van de moleculen, we kunnen zowel oriëntatie als impulsmoment meten zolang ze klein genoeg zijn. En dan kunnen we het systeem terugschoppen om te compenseren."

Jacob Covey, een co-auteur van de krant en voormalig postdoctoraal onderzoeker van Caltech die onlangs toetrad tot de faculteit van de Universiteit van Illinois, zegt dat het mogelijk zou kunnen zijn om moleculen uiteindelijk individueel te besturen voor gebruik in kwantuminformatiesystemen zoals deze. Hij en zijn team hebben vooruitgang geboekt in het gebruik van optische laserstralen, of "pincet, " om enkele neutrale atomen te besturen (neutrale atomen zijn een ander veelbelovend platform voor kwantuminformatiesystemen).

"De aantrekkingskracht van moleculen is dat het zeer complexe structuren zijn die zeer dicht op elkaar kunnen worden gepakt, ", zegt Covey. "Als we erachter kunnen komen hoe we moleculen kunnen gebruiken in kwantumcomputers, we kunnen informatie robuust coderen en de efficiëntie verbeteren waarin qubits worden verpakt."

Albert zegt dat het trio van hemzelf, voorkennis, en Covey zorgden voor de perfecte combinatie van theoretische en experimentele expertise om de nieuwste resultaten te bereiken. Hij en Preskill zijn beide theoretici, terwijl Covey een experimentator is. "Het was heel fijn om iemand als John te hebben om me te helpen met het raamwerk voor al deze theorie van foutcorrigerende codes, en Jake gaf ons cruciale richtlijnen over wat er in laboratoria gebeurt."

zegt Preskill, "Dit is een paper dat niemand van ons drieën alleen had kunnen schrijven. Het leuke aan het gebied van kwantuminformatie is dat het ons aanmoedigt om over sommige van deze scheidslijnen te communiceren, en Caltech, met zijn kleine formaat, is de perfecte plek om dit voor elkaar te krijgen."

De Fysieke beoordeling X studie is getiteld "Robuuste codering van een qubit in een molecuul."