Kvantrekord: bra 200 joner korsade på en gång

Viktiga framsteg för användning av laddade partiklar som qubits

Berylliumjoner i fällan: deras fluorescens avslöjar deras spinnstillstånd - och deras förvirring. © NIST
läsa högt

Överlappande i kollektivet: För första gången lyckades fysiker att låsa upp 219 joner på en gång. I superpositionstillståndet fungerar de som qubits, vilket gör att de kan utföra tio gånger mer kvantoperationer än tidigare möjligt. Denna kvantimperiodekord hjälper till att göra kvantdatorer mer kraftfulla, men hjälper också till att förbättra atomklockor, som forskarna i tidskriften "Science" rapporterar.

Kvantdatorer är något som kvantteknologins heliga gral. Tack vare kvantfysiska fenomen som överlagring och förvirring kan de behandla komplexa uppgifter parallellt baserat på bara några få partiklar - teoretiskt sett. Förutsättningen är dock att man stabilt sammanflätar och överlagrar atomer, joner eller fotoner - och det i tillräcklig mängd.

Faktum är att hundratals neutrala atomer eller molekyler har redan låsts samman. Men med laddade partiklar, joner, är det fortfarande hapert. Mer än 20 intrasslade joner med avseende på deras snurr har ännu inte uppnåtts. Tyvärr anses bara joner vara lovande qubit-kandidater. Eftersom de kan inriktas på definierade kvanttillstånd och förbli stabila under lång tid.

219 joner i förvirring

Justin Bohnet från National Institute of Standards and Technology (NIST) i Boulder och hans kollegor har nu gjort ett riktigt genombrott här: för första gången kunde de låsa samman 219 berylliumjoner och använda dem som en kvantsimulator. För sitt experiment använde forskarna en Penning-fälla - en slags magnetisk bur där jonerna kan hållas i upphängning och manipuleras.

Berylliumjonerna i fällan bildar en slags tvådimensionell kristall där de enskilda partiklarna bildar ett slags triangulärt mönster. Ursprungligen befinner sig jonernas snurr i superposition men är inte låsta varandra. Interaktioner i penningfällan leder emellertid till en ökande sammansvängning av jonerna, mätt med lasermätningar: Display

Förvirrade berylliumjoner (blå): Snurret på deras yttre elektron (röd pil) fungerar som qubit. Britton / NIST

Kollektiv kollaps

Om en jons spinnstillstånd mäts, kollaps dess superpositionstillstånd och partikeln "bestämmer" för en av två möjliga snurr. Om jonerna i en kristall inte är begränsade, kollapsar de annorlunda. Detta indikeras av fluktuationer i mätresultatet - en typ av kvantbuller, som forskarna förklarar.

Men om det är möjligt att begränsa alla eller nästan alla joner, kollapsar deras superposition kollektivt och på samma sätt. Mätningen av snurrarna resulterar således i betydligt mindre kvantbrus. "Detta ger oss tydliga, obestridliga bevis på att jonerna är begränsade", förklarar Bohnet.

Användbar för kvantberäkningar och atomur

Med hjälp av denna teknik kunde forskarna, genom att ändra förhållandena mellan 20 och 200 berylliumjoner, arbeta tillsammans zehn tio gånger mer än tidigare möjligt. Med hjälp av dem i kvantsimulatorn kan de exponentiellt utföra mer komplexa operationer på en gång, som Bohnet och hans kollegor förklarar. Dessutom kan beteendet hos jonerna som roterar i den platta kristallen kontrolleras och justeras specifikt.

Men begränsningen av så många joner ger också fördelar för andra tillämpningar: "Minskningen av kvantbrus kan också göra atomiska och joniska klockor bättre", säger Bohnet. (Science, 2016; doi: 10.1126 / science.aad9958)

(National Institute of Standards and Technology (NIST), 10.06.2016 - NPO)