Fyysikot kesyttivät pimeän tilan kvanttitietokoneiden teknologiaksi

24.02.2016

Aalto-yliopiston kvanttifyysikot onnistuivat kesyttämään niin kutsutun pimeän tilan, jonka he loivat suprajohtavaan sähköpiiriin.

Taiteilijan näkemys näytteestä, pulssijonosta sekä tiheysmatriisista. Kuva: Antti Paraoanu.

 - Suprajohtavat piirit ovat tällä hetkellä varteenotettavin teknologia kvanttitietokoneen rakentamiseen. Yksi teknologian eduista on, että prosessorin valmistamiseen voidaan käyttää samoja menetelmiä kuin nykyisten klassisten tietokoneiden prosessorien valmistamiseen, sanoo tutkimusryhmän johtaja Sorin Paraoanu Aalto-yliopistosta.

Tutkijat ympäri maailmaa yrittävät ratkaista kvanttitilan äärimmäisen tarkan hallitsemisen ongelmaa useiden eri lähestymistapojen avulla. Nyt Nature Communications -lehdessä julkaistu artikkeli tavoittelee tämän ratkaisun löytymistä.

Tutkitussa piirissä on lukuisia energiatiloja, ja tässä tutkimuksessa tarkasteltiin erityisesti suprajohtavan piirin kolmea alinta energiatilaa, jonka ominaisuuksia voidaan hyödyntää kvanttikolmitasologiikan rakennuspalasena esimerkiksi kvanttitietokoneessa. Käyttämällä sarjaa huolellisesti suunniteltuja mikroaaltopulsseja tutkijaryhmä onnistui hyödyntämään sähköpiiriin synnyttämäänsä pimeää tilaa ja luomaan superposition, jossa piiri on samanaikaisesti perustilallaan ja toisella viritystilallaan.

Suprajohtava piiri on keinotekoinen atomi, joka on piikiekolle valmistettu kondensaattoreista ja tunneliliitoksista koostuva sähköpiiri. Suoritetussa kokeessa piiriä käytettiin tilassa, jossa se ei vastaanota tai säteile lainkaan tietyn taajuisia mikroaaltoja. Sähköpiiri aivan kuin piilottelee näkymättömyysviitan alla, ja siksi sitä kutsutaan pimeäksi tilaksi.

"Kokeellisten tulosten sekä sähköpiiriä kuvaavan teoreettisen mallin vastaavuus on hämmästyttävän hyvä ja se kertoo meille, että ymmärrämme tarkasti kuinka piiri käyttäytyy ja voimme hallita sitä. Koe osoittaa, että kolmitasopiirejä voidaan käyttää kvanttiprosessoreissa tavanomaisten kaksitasoisten kvanttimekaanisten bittien sijaan", kertoo tohtorikoulutettava Antti Vepsäläinen.

Keinotekoinen atomi eriaikaisten mikroaaltopulssien käsittelyssä

Prosessissa siirtynyt energiamäärä vastaa suunnilleen yhden mikroaaltofotonin energiaa, jollaisia löytyy muun muassa mikroaaltouuneista tai jotka välittävät tietoa matkapuhelinverkoissa. Piirin lopullinen tila mitattiin käyttämällä kvantti-tomografiaa - tekniikkaa, jolla systeemin aaltofunktio voidaan rakentaa uudelleen mittaamalla sitä useissa eri superpositiotiloissa, jotka luodaan mikroaaltopulsseilla.

Kokeessa havaittiin myös eräs kiehtova yksityiskohta, kun tutkijat virittivät keinotekoisen atomin perustilalta toiselle energiatilalle ja käyttivät mikroaaltopulsseja epäintuitiivisessa järjestyksessä. Tällöin ensimmäinen pulssi kytkee ensimmäisen energiatilan toiseen energiatilaan ja vasta tämän jälkeen lähetetään pulssi, joka kytkee perustilan ensimmäiseen energiatilaan.

"Oletetaan, että haluat matkustaa Helsingistä New Yorkiin, mutta sinun on vaihdettava konetta Lontoossa", selittää Sorin Paraoanu. "Ensin lennät Helsingistä Lontooseen, odotat jonkin aikaa lentokentällä, minkä jälkeen nouset New Yorkin koneeseen. Kvanttimaailmassa pääsisit nopeammin perille, jos nousisit Helsingistä Lontooseen menevään koneeseen vasta jonkin aikaa New Yorkin koneen lähdettyä. Et vietä lainkaan aikaa Lontoossa ja saavut New Yorkiin juuri kun kone Helsingistä laskeutuu Lontooseen." Tämä kuulostaa tyrmistyttävältä, mutta koe osoittaa, että kvanttimaailmassa asiat toimivat juuri näin.”

Jatkuvuuden periaate kumoutuu

Sen lisäksi että kokeesta on hyötyä kvanttilaskennassa, tuloksella on merkittäviä käsitteellisiä seurauksia. Ymmärryksemme todellisuudesta pohjautuu enimmäkseen jatkuvuuden periaatteeseen: vuorovaikutukset välittyvät paikasta toiseen kulkemalla ensin kaiken välissä olevan läpi. Todelliset kappaleet eivät ilmesty minnekään tyhjästä. Tästä huolimatta menetelmä jota käytettiin suoritetussa kokeessa vaikuttaa uhmaavan tätä periaatetta. Kuten taikurien näytöksessä, kvanttifysiikka sallii esineiden ilmestyvän sinne ja tänne kuin tyhjästä.

Tutkimusryhmä kiittää Fysiikan laitoksen Kylmälaboratoriota sekä OtaNano yhteisöä tutkimuksen mahdollistaneesta upeasta tieteellisestä ilmapiiristä.

Nature Communications -artikkeli: Stimulated Raman adiabatic passage in a three-level superconducting circuit, K. S. Kumar, A. Vepsäläinen, S. Danilin, and G. S. Paraoanu
DOI: 10.1038/NCOMMS10628
 

Yhteystiedot:

Väitöstyöntekijä Antti Vepsäläinen
antti.vepsalainen@aalto.fi

Dosentti Sorin Paraoanu
sorin.paraoanu@aalto.fi
Teknillisen fysiikan laitos
Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu

KVANTTI-tutkimusryhmä: http://physics.aalto.fi/kvantti/
Ryhmä on osa Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien huippuyksikköä, http://ltq.aalto.fi/  ja Kvanttiteknologian keskusta, http://cqe.aalto.fi/fi/