Nyheter

Kvantfysiker lyckades kontrollera energiförluster och växlingar

Resultaten kan användas för att snabba upp kvantdatorer och för att designa nya kvanttekniska uppfinningar
Artictic impression of a quantum resonator coupled to environmental modes
Konstnärlig tolkning av en kvantresonator. Figur: Heikka Valja

Kvantdatorer behöver lagra kvantdata under lång tid för att lösa viktiga problem snabbare än en vanlig dator. Energiförluster tar en qubit (kvantbit) från läge 1 till 0, vilket samtidigt förstör den lagrade kvantdatan. Följaktligen har forskare över hela jorden arbetat för att ta bort alla källor till energiförluster - eller energiupplösning - från de här spännande maskinerna.

Dr Mikko Möttönen från Aalto-universitetet och hans forskarlag har tagit sig an problemet från ett annat håll.

“För många år sedan insåg vi att kvantdatorer faktiskt behöver energiupplösning för att fungera effektivt. Tricket är att ha upplösning endast vid behov”, förklarar han.

Artistic impression of a superconducting resonator coupled with its quantum-mechanical environment. Image: Heikka Valja.

Forskare från Aalto-universitetet och Uleåborgs universitet demonstrerar, i en artikel som publicerades idag i Nature Physics, att de kan öka upplösningstakten, på begäran, med en faktor tusen i en högkvalitativ supraledande resonator – precis som de som används i kvantdatorprototyper.

“Nyckeln till att uppnå den här avstämbarheten var kvantkretskylaren som vi uppfann nyligen. Framtidens kvantdatorer behöver ha en liknande funktion för att kunna kontrollera energiförluster på begäran,” säger Möttönen.

Photo of a centimeter-sized silicon chip, which has two parallel superconducting resonators and quantum-circuit refrigerators connected to them. Image: Kuan Yen Tan.
Foto av ett centimeterstort silikonchip, som har två parallella supraledande resonatorer, och kvantkretskylarna som är kopplade till dem. Bild: Kuan Yen Tan.

Enligt försteförfattaren av artikeln, doktor Matti Silveri, var de vetenskapligt mest betydande resultaten helt oförutsedda.

“Till vår stora förvåning kunde vi observera en växling i resonatorfrekvensen när vi slog på upplösningen. Den här upptäckten tog oss på en resa 70 år tillbaka i tiden, då nobelpristagaren Willis Lamb gjorde sina första observationer av små energiväxlingar i väteatomer. Nu ser vi samma fysiska fenomen, men för första gången i tekniska kvantsystem”, förklarar Silveri.

 

Lambs observationer var revolutionära för sin tid. De visade att utformningen av väteatomen inte räckte; hänsyn måste tas till elektromagnetiska fält, trots att deras energi är noll. Detta fenomen har nu också bekräftats för kvantkretsar.

Nyckeln till observationen var att upplösningen, och därmed energiväxlingen, kan slås på och av. Att kunna kontrollera sådana energiväxlingar är avgörande för tillämpningen av kvantlogik och kvantdatorer.

“Konstruktionen av kvantdatorer i stor skala är en av de största utmaningarna i vårt samhälle”, säger Möttönen.

Forskargruppen Quantum Computing and Devices (QCD) är del av spetsforskningsenheten Quantum Technology Finland, grundad av Finlands akademi. Den experimentella forskningen utfördes i QCD:s labb med hjälp av den finländska nationella forskningsinfrastrukten OtaNano för mikro, nano och kvanttekniker.

Doktor Matti Silveri leder en grup på Uleåborgs universitet, med fokus på teorin om kvantsimulationer och supraledande kvantkretsar. Doktor Silveri var ansvarig för observationernas teoretiska modell.
 

Forskningsartikel:

Matti Silveri, Shumpei Masuda, Vasilii Sevriuk, Kuan Y. Tan, Máté Jenei, Eric Hyyppä, Fabian Hassler, Matti Partanen, Jan Goetz, Russell E. Lake, Leif Grönberg, and Mikko Möttönen, Broadband Lamb shift in an engineered quantum system, Nature Physics DOI: 10.1038/s41567-019-0449-0

Mer information:

Dr Mikko Möttönen
Quantum Computing and Devices Group, Group Leader
Aalto University
Tel. +358 50 594 0950
[email protected]
Twitter: @mpmotton

Dr Matti Silveri
Academy Research Fellow, Group Leader
Research unit of nano and molecular systems
University of Oulu
Tel. +358 40 754 1759
[email protected]

Video on the quantum-circuit refrigerator used to tune the dissipation

Video on the Quantum Computing and Devices Labs where the discovery was made

  • Publicerat:
  • Uppdaterad:
Dela
URL kopierat

Läs fler nyheter

Eturivissä opiskelijat Otto Simola, Verneri Hirvonen ja Julius Helander. Takarivissä professori Jussi Ryynänen ja vanhempi yliopistonlehtori Marko Kosunen. Kuva: Niina Norjamäki
Pressmeddelanden, Vetenskap & konst Publicerat:

Studerande kodade en öppen mikroprocessor som företagen kan använda hur de vill

Den nya processorn kan användas till exempel i 6G-transceivers och i krypteringsteknologi. Projektet lockar unga att studera mikroelektronik, ett område där det råder en skriande brist på experter i Finland.
Design Bits is Aalto's introductory online course to design for non-designers. Illustration: Paulo Dziobczenski
Pressmeddelanden, Studier Publicerat:

Öppen onlinekurs i grunderna i design för icke-designer

Bekanta dig med kompetens som behövs i framtiden: Design Bits är en inspirerande introduktionskurs i kreativ problemlösning och metoder för design.
Ostoskeskus A Blanc ja Alvarinaukio
Campus, Pressmeddelanden, Universitetet Publicerat:

Köpcentret A Blanc öppnas på Otnäs campus

Den av Alvar Aalto planerade byggnaden som tidigare var känd under namnet "Otaniemen ostari" (Otnäs köpcentrum) omdöptes i och med ombyggnaden och har nu öppnat mitt på Aalto-universitetets campus.
Henkilö seisoo kädet puuskassa seinän edessä, jolle on heijastettu virtapiirejä esittävä kuva ja katselee tyynen näköisenä poispäin kamerasta.
Pressmeddelanden, Studier Publicerat:

FITech-nätverksuniversitetet fick tilläggstid för sina avgiftsfria ICT-kurser

Enligt undervisnings- och kulturministeriets beslut fortsätter de kurserna inom datateknik utgången av 2023.