Artwork by Jonas S. Neergaard-Nielsen (author) illustrating the cluster state generated in our work.

Tæppe af lys kan give bedre kvantecomputere

fredag 18 okt 19

Kontakt

Mikkel Vilsbøll Larsen
Ph.d.-studerende
DTU Fysik
40 25 23 06

Kontakt

Ulrik Lund Andersen
Professor
DTU Fysik
45 25 33 06
DTU-forskere har skabt et ‘tæppe’ af tusindvis af kvantemekanisk sammenfiltrede lyspulser, som har potentiale til at bane vejen for stærkere kvantecomputere.

Kvantemekanikken er en af naturvidenskabens mest succesfulde teorier, og selvom dens forudsigelser ofte strider mod vores intuition, så er der til dato ikke nogen af dem, der er blevet modbevist.

Sammen med kolleger på grundforskningscenteret bigQ (Center for Macroscopic Quantum States) 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 han.

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.
Animation by Mikkel V. Larsen (author) illustrating the temporal evolution of our cluster state generation scheme pictured in Figure 1 of our manuscript .

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.

”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.