Nyt i Science fra bigQ: Tæppe af lys kan føre til bedre kvantecomputere
Nyhed fra DTU og bigQ: Forskere fra grundforskningscentret bigQ ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har skabt et ‘tæppe’ af tusindvis af kvantemekanisk sammenfiltrede lyspulser. Bedriften kan bidrage til at bane vejen for kraftigere kvantecomputere. Den videnskabelige artikel er for nyligt udgivet i Science.
Kvantemekanikken er en af naturvidenskabens mest succesfulde teorier, og selvom dens forudsigelser ofte strider mod vores intuition, så er der til dato ikke udført et eneste eksperiment, som teorien ikke har kunnet give en retvisende beskrivelse af.
Sammen med kolleger på DG-centret Center for Macroscopic Quantum States (bigQ) arbejder Ulrik Lund Andersen, centerleder og professor ved DTU Fysik, på at forstå og anvende makroskopiske kvanteeffekter:
”Den gængse opfattelse blandt forskere er, at kvantemekanikken er universelt gyldig og derfor også gælder i den makroskopiske daglige verden, vi normalt oplever. Det betyder samtidig også, at man burde kunne observere kvantefænomener på stor skala, og det er netop det, vi stræber efter i bigQ,” siger Ulrik Lund Andersen.
I en ny artikel i det ansete internationale tidsskrift Science, beskriver forskerne, hvordan de er lykkedes med at skabe sammenfiltret, klemt lys ved stuetemperatur. En opdagelse, som kan bane vejen for billigere og stærkere kvantecomputere.
Deres arbejde omhandler et af de notorisk mest vanskellige kvante-fænomener at forstå. Nemlig ‘entanglement’ (på dansk: sammenfiltring). Det beskriver, hvordan fysiske objekter kan bringes i en tilstand, hvor de er så sammenfiltrede, at de ikke længere kan beskrives individuelt.
Er to objekter entanglede, skal de ses som en samlet helhed, uanset hvor langt fra hinanden, de er. De vil stadig opføre sig som én enhed, og måler man på objekterne enkeltvis, vil resultaterne afhænge af hinanden i en sådan grad, at det ikke kan beskrives med de klassiske naturlove. Det lader sig kun gøre med kvantemekanikken.
Men det er ikke bare enkelte par af objekter der kan bringes i entanglede tilstande. Forskerne ved bigQ har i deres bestræbelser på at observere kvantefænomener på makroskopisk skala formået at skabe et netværk af 30.000 entanglede pulser af lys arrangeret i et to-dimensionalt gitter fordelt i rum og tid. Nærmest som når et utal af farvede tråde væves sammen til et mønstret tæppe.
Forskerne har frembragt lysstråler med særlige kvantemekaniske egenskaber (squeezede tilstande eller klemt lys) og vævet dem sammen ved hjælp af optiske fiberkomponenter til at danne et ekstremt sammenfiltret to-dimensionalt gitter af entanglement, også kaldet en cluster-tilstand.
”I modsætning til traditionelle cluster-tilstande udnytter vi den tidslige frihedsgrad til at opnå det to-dimensionale entanglede gitter med 30.000 lyspulser,” fortæller ph.d.-studerende Mikkel Vilsbøll Larsen, som er hovedforfatter på artiklen og tilføjer:
”Det eksperimentelle setup er faktisk overraskende simpelt, mens det meste af arbejdet ligger i idéen til cluster-tilstanden.”
At skabe en så omfattende grad af kvantefysisk sammenfiltring er i sig selv interessant grundforskning. Men cluster-tilstanden er samtidig også en potentiel ressource til at skabe en optisk kvantecomputer. Og tilgangen er et interessant alternativ til de mere udbredte superledende teknologier, da det hele foregår ved stuetemperatur. Man kan derudover drage nytte af laserlysets lange kohærenstid – altså at det selv over meget lange afstande bevares som en præcist defineret lysbølge.
En optisk kvantecomputer vil derfor ikke kræve bekostelig og avanceret køleteknologi. Samtidig vil dens informationsbærende lysbaserede qubits i laserlyset være langt mere sejlivede end deres ultrakolde elektroniske slægtninge, der løber i superledere.
”I kraft af den frembragte cluster-tilstands fordeling i rum og tid kan en optisk kvantecomputer også lettere skaleres til at indeholde hundredvis af qubits, hvilket gør den til en potentiel kandidat til næste generation af større og stærkere kvantecomputere,” tilføjer Ulrik Lund Andersen.