Snabbare kvantberäkningar med fluffiga joner

Nyckeln till en typ av kvantdatorer kan vara att utnyttja joner som fått extra energi, och som därför blir större och växelverkar mer. Det menar forskarna bakom ett experiment som visar hur kvantoperationer kan göras på en hundradel av tiden jämfört med andra, liknande system.

– Det är ett viktigt genombrott, säger Erik Sjöqvist, professor i kvantinformationsteori vid Uppsala universitet, som har läst forskningsartikeln i tidskriften Nature.

Ettor och nollor ersätts med kvantbitar

Idén med kvantdatorer är att utnyttja kvantfysikens egenheter för att göra beräkningar som inte skulle gå att göra med en vanlig dator. Den vanliga datorns ettor och nollor ersätts med kvantbitar, som kan vara både noll och ett samtidigt. Ett sätt att konstruera kvantdatorer är genom jonfällor, där de infångade jonerna blir kvantbitarna.

För att flera kvantbitar ska kunna arbeta tillsammans behöver de kopplas ihop med varandra på ett speciellt sätt, som kallas för att de har sammanflätade kvanttillstånd. För att en kvantdator ska kunna fungera med mer än bara några enstaka kvantbitar behöver operationerna för att sammanfläta kvantbitar med varandra vara snabba. Kvanttillstånden är nämligen ömtåliga, och förstörs om de växelverkar med omgivningen. Tricket är att hinna göra många operationer innan kvantinformationen förstörs, och därför är det viktigt att kunna snabba upp kvantoperationerna på det sätt som gjorts i det nya experimentet.

Jonerna växelverkar starkare

Forskarna använde strontiumjoner där de yttersta elektronerna har fått extra energi och därför befinner sig mycket längre från atomkärnan än vanligt. I det här så kallade Rydbergtillståndet är jonerna alltså större, och växelverkar därför starkare än andra joner.

Jonerna fångas in på rad i ett elektriskt fält i en vakuumkammare, och kan manipuleras med laserpulser. På det viset lyckades forskarna göra sammanflätningen av två av jonerna på bara 0,7 miljondels sekunder, mycket snabbare än liknande operationer i jonfällor.

– Det var ett ganska komplicerat experiment. Vi började 2012 men nu har vi kommit så här långt, berättar Markus Hennrich som leder forskargruppen som gjort experimentet.

Teoretiska beräkningar av medarbetare i Storbritannien visar att operationen kommer att kunna göras lika fort även om många fler kvantbitar läggs till i systemet.

– Vi har redan gjort experiment med tolv joner. Det gjorde vi faktiskt så sent som förra veckan så det har inte publicerats ännu, berättar Markus Hennrich.

Erik Sjöqvist påpekar att det på senare år har varit mycket fokus på att bygga kvantdatorer med supraledande kretsar (se bland annat  artikeln En svensk kvantdator med okänt uppdrag i F&F 6/2019) – men att det här nya framsteget skulle kunna ge mer uppmärksamhet åt möjligheten för kvantdatorer baserade på jonfällor.