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

Rehtori Ilkka Niemelä pitää lukuvuoden avajaispuhetta verkon välityksellä.
Pressmeddelanden, Universitetet Publicerat:

Rektor Ilkka Niemelä: "Det medfarna ekonomin behöver inte byggas upp igen, utan omstruktureras utgående från principerna för hållbar utveckling"

Vid inskriptionen talade även vetenskaps- och kulturminister Annika Saarikko och ordförande för Aalto-universitetets studentkår Olli Kesseli. Inskriptionen skedde virtuellt.
valoanturi
Pressmeddelanden, Vetenskap & konst Publicerat:

En sensor för svart ljus som utvecklats vid Aalto nådde för första gången i världen en verkningsgrad över 100 %

Verkningsgraden var så hög att forskarna först inte trodde sina ögon. Det rekordartade resultatet fick därför verifieras av Tysklands nationella metrologiinstitut PTB som utför de noggrannaste mätningarna i Europa. ElFys Oy som är en avknoppning från Aalto levererar redan rekordsensorerna till processindustrin.
Learning Centre graphics
Pressmeddelanden Publicerat:

Lärcentrets webbaddress ändras

Lärcentrets webbplats övergår den 3.6. 2020 till att återfinnas under aalto.fi-webbplats.
Otaniemi's old shopping centre from air
Campus, Pressmeddelanden, Universitetet Publicerat:

Alvar Aaltos designade köpcenter i Otnäs totalrenoveras

Köpcentrets renovering på Aalto-universitetets campus i Otnäs påbörjades i mars 2020.