Kapløb for atomer baner vej for kvantecomputer

Kun syv måneder efter en tysk-dansk forskergruppe viste, at de kunne styre flere hundrede atomer i et optisk gitter, har de nu taget det næste afgørende skridt til at lave en kvantecomputer med omkring 300 qubits.

I en ny artikel i Nature i dag beskriver Jacob Friis Sherson fra Aarhus Universitet i samarbejde med forskere fra Max-Planck-Institut für Quantenoptik i Garching ved München, hvordan de enkeltvis kan ændre spintilstanden for atomerne og derved lave nye former for kvantesimuleringer - i første omgang illustreret ved et kapløb for atomer.

»Det er et eksperiment, som jeg har arbejdet i fire år hen mod at gennemføre. Vi tager med dette et meget større skridt hen mod realiseringen af en kvantecomputer, end vi gjorde, da vi viste, at vi kan placere atomerne perfekt i gitteret,« siger Jacob Friis Sherson.

Fra 12 qubit til 300 qubit

Sidste år beskrev Jacob Sherson det langsigtede projekt på denne måde:

»I dag forsøger man at forbedre antallet af qubit en efter en. Vi arbejder direkte hen mod at kunne håndtere op til 300 qubit.«

Lykkes det vil det være en utrolig præstation. Jacob Sherson forklarer, at da den første kvantecomputer blev fremstillet i 2001, kunne den håndtere 7 qubit - og kun løse helt enkle problemer.

»Rekorden er nu 12 qubit,« siger Jacob Sherson.

Så der er kun sket langsomme fremskridt indtil nu.

En qubit eller kvantebit er karakteriseret ved at være superposition af både 0 og 1.

Det er det forhold, som betyder, at kvantecomputere er effektive til at løse særlige former for problemstillinger, som ikke i praksis kan løses med konventionelle computere. Hvis man vel at mærke kan lave en kvantecomputer, der kan håndtere nogle hundrede qubit på samme tid.

LÆS OGSÅ: Dansk-tysk mikroskop klar til kvanteberegninger med ultrakolde atomer

Mikroskopet, som forskergruppen beskrev sidste år, kunne bruges til at kontrollere, at atomer indfanges perfekt i et optisk gitter, som dannes, når en sky af atomer belyses af to lasere, hvis stråler er vinkelret på hinanden.

Det optiske gitter giver anledning til energimæssige 'brønde', som atomerne et for et placerer sig i - på samme måde som æg placeres i en æggebakke.

Laser ændrer spintilstanden

Nu har forskerne vist, at det avancerede mikroskop, som de udviklede sidste år til at studere placeringen af atomer i det optiske gitter, også kan bruges til at opvirke spintilstanden af atomerne, og derved flippe det enkelte atom fra 0 og 1.

Det sker ved at bruge optikken i mikroskopet til at fokusere et laserbeam til en størrelse af 600 nanometer og rette det direkte mod atomerne en for en.

Laserstrålen vil så deformere elektronskallen i atomet og derved ændre energiforskellen mellem dets to spintilstande.

Gennem en række eksperimenter har forskerne vist, at de på den måde har individuel kontrol over hvert atom og derved hver enkelt qubit.

»For at lave en kvantecomputer mangler vi nu kun at vise, at vi kan lave en operation på to qubit samtidigt,« siger Jacob Sherson.

En sådan operation kan eksempelvis svare til en XOR eller CNOT gate.

Det tredje og sidste skridt

Jacob Sherson mener, at det kan lade sig gøre, hvis laserstrålen i stedet for at belyse et atom direkte, i stedet sigtes direkte mellem to atomer. Herved vil gitterstrukturen, der holder atomer adskilt, blive nedbrudt, så atomerne kan komme i kontakt med hinanden parvis.

Denne mulighed og andre metoder til at fuldføre det sidste skridt til at lave en egentlig kvantecomputer er noget, han i øjeblikket arbejder videre på.

Jacob Sherson understreger, at foreløbigt er der kun gennemført et proof-of-principle. Der vil være et stort arbejde med at forfine teknikken, så den kan bruges i praksis.

Det vil normalt være at betragte som en ingeniørmæssig opgave, som fysikerne vil overlade til andre.

Da der er store beregningsmæssige udfordringer i at designe systemet, er det dog en problemstilling, som Jacob Sherson også selv har tænkt sig at arbejde videre med.

Kapløb for atomer

Hvis det skulle lykkedes at lave en kvantecomputer efter dette princip, er det helt store spørgsmål, hvad man vil bruge den til.

Ofte fremhæves en kvantecomputers evne til at løse problemstillinger inden for kryptering. Jacob Sherson mener, at en kvantecomputer kan få stor betydning til simulering af problemer inden for faststoffysik og materialefysik. For hvad er egentligt bedre til at løse kvantemekaniske opgaver end en kvantecomputer?

Et lille forsøg, som forskergruppen har gennemført viser dette på en interessant måde.

Hvis atomerne placeres på en linje i det optiske gitter, og man gradvist skruer ned på energibarrieren i gitteret, vil atomerne kunne hoppe fra position til position på grund af tunneleffekten.

»Vi har observeret, hvordan atomerne på den måde løber om kap i en slags hestevæddeløb for atomer,« siger Jacob Sherson.

Det er noget, der aldrig er set før.

Dokumentation

Artikel i Nature
Se flere illustrationer og video

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

300 qubit er jo helt fantastisk mange. Ændrer det beregningskraften at man ikke kan entangle to tilfældige atomer, men kun naboer? Og endnu mere vigtigt hvad er tidshorisonten for et XOR eksperiment?

  • 0
  • 0

En stor fordel ved at bruge pincetten til at lave kvanteberegninger er, at man også kan bruge pincetten til at flytte atomer rundt. Det vil sige at man kan vælge to vilkårlige atomer og transportere dem så de ligger ved siden af hinanden. Derefter kan man bringe dem sammen og lave to-bit operationen. Det betyder at man kan bruge den fulde beregningskraft, men der kommer selvfølgelig et lille offset i tid til hver gate pga transporten.

Mht to-bit operationen som fx en CNOT eller en XOR, så er det et svært eksperiment fordi man skal have utroligt godt styr på pincetten. Vi har forskellige ideer til hvordan det kan gøres og håber at have gjort det indenfor de næste 1-2 år.

Derefter bliver udfordringer at planlægge transporten og de andre skridt så de bliver så hurtige og fejlfri som muligt, så man kan lave tusindvis af operationer uden at fejl akkumulerer. Lige nu har vi bare proof-of-principle vist at det kan lade sig gøre og så er det en ingenørmæssig udfordring at få det forbedret yderligere. Det er en stor opgave, så tidhorisonten til en funktionel kvantecomputer er nok nærmere et årti.

Håber det kan bruges mvh Jacob

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten