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

Relaterade nyheter

Kuvassa näkyy Aalto-yliopiston kauppakorkeakoulu talvella dronella kuvattuna. Kuvan otti Roope Kiviranta Aalto-yliopistosta.
Pressmeddelanden Publicerat:

Vid Aalto-universitetet inrättas en unik professur i ägarskap

Professuren som inrättas med gåvomedel främjar akademisk forskning och undervisning på hög nivå och förstärker finländsk ägarskapskompetens och ägarskapskultur.
putretti-lannoite
Pressmeddelanden, Vetenskap & konst Publicerat:

Forskarna utvecklade precisionsgödsel för skogen av aska och kompost

Gödselmedlet som döpts till Putretti innehåller kväve som frigörs långsamt, fosfor, kalium samt kol, vilka främjar trädens tillväxt. Dess tillverkning förbrukar klart mindre energi än konstgödsel och minskar också behovet av brytning.
Aikalava
Pressmeddelanden Publicerat:

Trästäder kan ta upp nästan hälften av cementindustrins koldioxidutsläpp

Finländska forskare utredde hur mycket kol nya träbyggnader i Europa kunde lagra under de kommande 20 åren.
Aalto-yliopiston alumni Ulla Heikkilä on ohjannut ja käsikirjoittanut lyhytelokuvan Let her speak. Se on osa Yksittäistapaus-elokuvasarjaa, joka tuo esiin naisiin kohdistuvaa näkymätöntä vallankäyttöä niin yksityiselämässä kuin yhteiskunnassa. Kuvassa näyttelijä Iida-MariaHeinonen. Kuva: JohannaOnnismaa/TuffiFilms2019
Pressmeddelanden Publicerat:

Nya utredningar bekräftar: kvinnor fortfarande i underläge inom den finländska film- och tv-branschen

Brist på nätverk försvårar sysselsättningen för kvinnor. Kvinnor bemöts också ofta av könsrelaterade negativa attityder under finansieringsförhandlingarna och utvecklingsarbetet för filmprojekt.