De instabiliteit van kwantumtoestanden blijft een groot probleem voor de kwantumtechniek. Kwantum-wisselpoorten vormen een wezenlijk onderdeel van kwantumcomputers met een groot aantal kwantumbits. Onderzoekers van de ETH in Zürich hebben een wisselpoort voor kwabits gemaakt van neutrale atomen die gebaseerd is op een speciaal fysisch effect: de toestand van de deeltjes verandert afhankelijk van het pad dat ze afleggen, niet door externe verstoringen. Deze zogenaamde geometrische fasen maken het systeem aanzienlijk minder gevoelig voor verstoringen (ruis) of onnauwkeurigheden. De nieuwe wisselpoort zou met een nauwkeurigheid werken van meer dan 99,9% en kan gelijktijdig op 17 000 kwabits worden toegepast.
Kwantumbits die nodig zijn om kwantumcomputers te bouwen, bestaan ​​in verschillende vormen. De afgelopen jaren hebben veel onderzoeksinstellingen en bedrijven zich gericht op supergeleidende circuits en gevangen ionen. Er zijn echter ook voordelen verbonden aan het gebruik van neutrale atomen die met laserlicht worden gevangen. Doordat ze geen elektrische lading dragen, zijn ze minder gevoelig voor storingen. Bovendien het ‘vangen’ met een laser de verwezenlijking van enkele duizenden kwabits in één systeem mogelijk maken, iets wat aanzienlijk moeilijker is met supergeleiders of geladen deeltjes.
Zelfs neutrale atomen zijn echter niet zonder problemen. In kwantumcomputers bestaan ​​kwabits in superpositietoestanden van de logische waarden 0 en 1. Om er berekeningen mee uit te voeren, moeten kwantumlogische bewerkingen, ook wel kwantumpoorten genoemd, noodzakelijk.

Tot nu toe werden atomen met elektronen in hogere energiebanen, zogeheten Rydbergatomen, botsingen tussen atomen en het tunneleffect gebruikt voor dergelijke kwantumpoorten. Het tunneleffect, waarbij deeltjes obstakels passeren die volgens de klassieke natuurkunde onoverkomelijk zouden zijn, is met name afhankelijk van de intensiteit van het laserlicht. Zelfs kleine onnauwkeurigheden of fluctuaties kunnen daarom de kwaliteit van de kwantumpoorten ernstig beïnvloeden.
Onderzoekers rond Tilman Esslinger van het ETH Zürich zouden erin geslaagd zijn een zogenaamde ‘wisselpoort’ – een ‘kwantumwissel’ – met extreem hoge nauwkeurigheid te maken met behulp van slechts een geometrische fase. Deze geometrische fase zorgt ervoor dat de toestand van de deeltjes verandert afhankelijk van het pad dat ze afleggen en niet door externe verstoringen. Dit zou het systeem zeer ongevoelig maken voor ruis.

Bovendien konden de onderzoekers aantonen dat de poort gelijktijdig op duizenden kwabits zou kunnen worden toegepast. De resultaten zouden het pad effenen naar toekomstige ontwikkelingen in kwantumcomputers.

Kwantumwissel

Bij een wisselpoort worden de kwantumtoestanden van twee kwabits verwisseld: als kwabit A bijvoorbeeld aanvankelijk in toestand 0 is en kwabit B in toestand 1, dan zal kwabit A na uitvoering van de wisselpoort in toestand 1 zijn en kwabit B in toestand 0. Wisselpoorten zijn belangrijk voor de verdeling van kwantuminformatie binnen een grotere kwantumcomputer.

“Onderzoekers zijn er enkele jaren geleden in geslaagd dergelijke poorten te realiseren met neutrale atomen in de laagste energietoestand, zij het met behulp van dynamische fasen door middel van tunnelen en botsingen”, stelt medeonderzoeker Yann Kiefer. Dynamische fasen ontstaan ​​wanneer deeltjes zich in de ruimte bewegen of op elkaar reageren. Deze fasen bepalen vervolgens de trillingstoestand van de kwantummechanische golffunctie van de deeltjes, wat de waarschijnlijkheid beïnvloedt om deeltjes in een specifieke kwantumtoestand te treffen.
Geometrische fasen zijn abstracter. Ze treden bijvoorbeeld op wanneer de richting van een elektronenspin verandert. Door de spin 360° te draaien, blijft deze in dezelfde richting wijzen, maar de golffunctie vertoont een faseverschuiving van 180°.

Esslinger en de zijnen slaagden erin een wisselpoort op een vergelijkbare manier te realiseren. Ze vingen extreem koude kaliumatomen in optische roosters, waar de atomen op hun plaats worden gehouden door laserstralen in een soort kunstmatig kristalrooster. Door de laserstralen te manipuleren, konden ze paren atomen – waarvan de spintoestanden als kwabits fungeerden – zo dicht bij elkaar brengen dat hun golffuncties ruimtelijk overlapten.
Aangezien de gebruikte kaliumatomen fermionen waren, die volgens de wetten van de kwantummechanica niet exact in dezelfde kwantumtoestand kunnen verkeren, creëerde de manipulatie een geometrische fase. Esslinger: “In tegenstelling tot dynamische fasen is deze geometrische fase grotendeels onafhankelijk van hoe snel we de atomen manipuleren.”

“We moeten weten hoeveel de laserintensiteit fluctueert,” legt medeonderzoeker Konrad Viebahn uit. Het resultaat: een extreem robuuste wisselpoort die de toestanden van de twee kwabits in minder dan een milliseconde verwisselt met een nauwkeurigheid van 99,91% ​​en dat tegelijkertijd voor 17 000 kwabitparen!

Esslinger: “We kunnen nu een groot aantal wisselpoorten produceren met neutrale atomen, maar we hebben natuurlijk nog een paar andere componenten nodig om een ​​functionerende kwantumcomputer te bouwen.” Volgens hem is een van de volgende stappen het koppelen van de wisselpoorten aan een kwantumgasmicroscoop. Dit zou het mogelijk maken om individuele kwabitparen te ‘zien’ en gericht te manipuleren. Hierdoor zou het mogelijk worden om wisselpoorten alleen op specifieke kwabits uit te voeren.
Volgens de onderzoekers kunnen ze ook ‘halve’ wisselpoorten maken door botsingen tussen atomen ‘in te bouwen’ . Zulke poorten leiden tot kwantummechanische verstrengeling van de kwabits, wat een voorwaarde is voor de uitvoering van kwantumberekeningen.

Bron: idw-online.de