Onderzoekers in kwantumtechnologie van Chalmers University of Technology zijn erin geslaagd een techniek te ontwikkelen om kwantumtoestanden van licht in een driedimensionale holte te regelen. Naast het creëren van eerder bekende toestanden, zijn de onderzoekers de eersten die ooit de lang gezochte kubieke fasetoestand hebben aangetoond. De doorbraak is een belangrijke stap naar efficiënte foutcorrectie in kwantumcomputers.

"We hebben aangetoond dat onze technologie op één lijn ligt met de beste ter wereld", zegt Simone Gasparinetti, hoofd van een onderzoeksgroep in experimentele kwantumfysica bij Chalmers en een van de senior auteurs van het onderzoek.

Net zoals een conventionele computer is gebaseerd op bits die de waarde 0 of 1 kunnen aannemen, gebruikt de meest gebruikelijke methode voor het bouwen van een kwantumcomputer een vergelijkbare benadering. Kwantummechanische systemen met twee verschillende kwantumtoestanden, ook wel kwantumbits (qubits) genoemd, worden als bouwstenen gebruikt. Een van de kwantumtoestanden krijgt de waarde 0 en de andere de waarde 1. Vanwege de kwantummechanische superpositie kunnen qubits echter beide toestanden 0 en 1 tegelijkertijd aannemen, waardoor een kwantumcomputer enorme hoeveelheden gegevens kan verwerken met de mogelijkheid om problemen op te lossen die ver buiten het bereik van de hedendaagse supercomputers liggen.

Eerste keer ooit voor staat van kubieke fase

Een belangrijk obstakel voor het realiseren van een praktisch bruikbare quantumcomputer is dat de quantumsystemen die worden gebruikt om de informatie te coderen gevoelig zijn voor ruis en interferentie, wat fouten veroorzaakt. Het corrigeren van deze fouten is een belangrijke uitdaging bij de ontwikkeling van kwantumcomputers. Een veelbelovende aanpak is om qubits te vervangen door resonatoren - kwantumsystemen die, in plaats van slechts twee gedefinieerde toestanden, een zeer groot aantal ervan hebben. Deze toestanden kunnen worden vergeleken met een gitaarsnaar, die op veel verschillende manieren kan trillen. De methode wordt continu-variabele kwantumcomputing genoemd en maakt het mogelijk om de waarden 1 en 0 in verschillende kwantummechanische toestanden van een resonator te coderen.

Het beheersen van de toestanden van een resonator is echter een uitdaging waarmee kwantumonderzoekers over de hele wereld worstelen. En de resultaten van Chalmers bieden een manier om dat te doen. De bij Chalmers ontwikkelde techniek stelt onderzoekers in staat om vrijwel alle eerder aangetoonde kwantumtoestanden van licht te genereren, zoals bijvoorbeeld Schrödinger's kat of Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) toestanden, en de kubische fasetoestand, een toestand die voorheen alleen in theorie werd beschreven.

"De kubische fasetoestand is iets dat veel kwantumonderzoekers al twintig jaar in de praktijk proberen te creëren. Het feit dat we dit nu voor het eerst hebben gedaan, is een demonstratie van hoe goed onze techniek werkt, maar het belangrijkste vooruitgang is dat er zoveel toestanden zijn van verschillende complexiteit en dat we een techniek hebben gevonden die ze kan creëren", zegt Marina Kudra, een doctoraalstudent aan de afdeling Microtechnologie en Nanowetenschappen en de hoofdauteur van het onderzoek.

Verbetering van de poortsnelheid

De resonator is een driedimensionale supergeleidende holte gemaakt van aluminium. Complexe superposities van fotonen die in de resonator zijn opgesloten, worden gegenereerd door interactie met een secundair supergeleidend circuit.

De kwantummechanische eigenschappen van de fotonen worden gecontroleerd door een reeks elektromagnetische pulsen toe te passen die poorten worden genoemd. De onderzoekers slaagden er eerst in om met een algoritme een specifieke reeks eenvoudige verplaatsingspoorten en complexe SNAP-poorten te optimaliseren om de toestand van de fotonen te genereren. Toen de complexe poorten te lang bleken te zijn, vonden de onderzoekers een manier om ze korter te maken met optimale controlemethoden om de elektromagnetische pulsen te optimaliseren.

"De drastische verbetering van de snelheid van onze SNAP-poorten stelde ons in staat om de effecten van decoherentie in onze kwantumcontroller te verminderen, waardoor deze technologie een stap voorwaarts werd geduwd. We hebben aangetoond dat we volledige controle hebben over ons kwantummechanische systeem", zegt Simone Gasparinetti.

Of, om het poëtischer te zeggen:

"Ik heb licht vastgelegd op een plek waar het goed gedijt en heb het in werkelijk prachtige vormen gevormd", zegt Marina Kudra.

Het bereiken van dit resultaat was ook afhankelijk van de hoge kwaliteit van het fysieke systeem (de aluminium resonator zelf en het supergeleidende circuit). Marina Kudra heeft eerder laten zien hoe de aluminium holte ontstaat door deze eerst te frezen en vervolgens extreem schoon te maken door onder meer verhitten tot 500 graden Celsius en wassen met zuur en oplosmiddel. The electronics that apply the electromagnetic gates to the cavity were developed in collaboration with the Swedish company Intermodulation Products.

Research part of WACQT research program

The research was conducted at Chalmers within the framework of the Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT), a comprehensive research program, the aim of which is to make Swedish research and industry leaders in quantum technology. The initiative is led by Professor Per Delsing and a main goal is to develop a quantum computer.

"At Chalmers we have the full stack for building a quantum computer, from theory to experiment, all under one roof. Solving the challenge of error correction is a major bottleneck in the development of large-scale quantum computers, and our results are proof for our culture and ways of working," says Per Delsing. + Verder verkennen

Quantumcomputer werkt met meer dan nul en één