Snabbare kvantdatorer med hjälp av stora atomjoner

Fångade Rydbergjoner kan vara nästa steg i utvecklingen av kvantdatorer som är praktiskt användbara. Det visar en ny studie i tidskriften Nature.

För att skapa en kvantdator kan olika fysiska system användas. Det ledande alternativet har under lång tid varit fångade joner i kristallform, men när systemet skalas upp till stora jonkristaller är metoden mycket långsam. Det går inte att utföra komplexa beräkningar tillräckligt snabbt innan den lagrade kvantinformationen faller sönder.

En forskargrupp vid Stockholms universitet kan ha löst detta problem genom att använda stora så kallade Rydbergjoner. Dessa Rydbergjoner är hundra miljoner gånger större än normala atomer eller joner och är mycket reaktiva, de kan därför utbyta kvantinformation på mindre än en mikrosekund.

– Man kan säga att Rydbergjonerna fungerar som små antenner för att utbyta kvantinformation och på så sätt göra det möjligt att skapa de särskilt snabba kvantgrindar som är de grundläggande byggstenarna i en kvantdator, säger Markus Hennrich, Fysikum, Stockholms universitet, och ledare för forskningsgruppen vid Stockholms universitet.

– Växelverkan mellan Rydbergjoner är inte baserad på kristallvibrationer, vilket den är för joner fångade i kristallform, utan på utbyte av fotoner. Den snabba växelverkan mellan Rydbergjoner kan användas för att skapa kvantsammanflätning.

– Vi använde den här växelverkan för att utföra en kvantberäkningsoperation (en kvantsammanflätande grind) som är runt hundra gånger snabbare än vad som är typiskt för fångade jonsystem, förklarar Chi Zhang, forskare vid Fysikum, Stockholms universitet.

Teoretiska beräkningar som stödjer experimentet har gjorts av Igor Lesanovsky och Weibin Li vid University of Nottingham, Storbritannien och Universität Tübingen, Tyskland.

– Våra teoretiska beräkningar bekräftar att det inte förväntas någon inbromsning av beräkningshastigheten när jonkristallerna blir större, vilket betyder goda möjligheter att skala upp en kvantdator, säger Igor Lesanovsky från Universität Tübingen.

Kvantdatorer betraktas som en av 2000-talets viktigaste teknologier. Medan vanliga datorer följer den klassiska fysikens lagar, fungerar kvantdatorer enligt kvantmekanikens. Förmågan att utbyta information utan tidsfördröjning hos sammanflätade kvanta gör kvantdatorer mycket snabba och kraftfulla. I framtiden kan kvantdatorer komma att användas överallt för att göra komplexa beräkningar, till exempel vid utformningen av nya mediciner eller inom artificiell intelligens.

Artikeln

”Sub-microsecond entangling gate between trapped ions via Rydberg interaction” publicerades i Nature 15 april 2020. [https://www.nature.com/articles/s41586-020-2152-9] DOI:10.1038/s41586-020-2152-9

Kontakt

Markus Hennrich, Fysikum, Stockholms universitet. Telefon: 08-553 786 14 (engelska), e-post: markus.hennrich@fysik.su.se