Bohr-forskere sætter kvantebits i bakgear – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2017 > Bohr-forskere sætter k...

30. november 2017

Bohr-forskere sætter kvantebits i bakgear

Kvantecomputer:

Forskere ved Niels Bohr Institutet (NBI) på Københavns Universitet har regnet ud, hvordan man kan få kvantebits til at rotere baglæns på kommando – og i forsøg vist, at det faktisk kan lade sig gøre. Det er aldrig tidligere vist. Opdagelsen er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.

Filip Malinowski ved et foto af en halvleder-chip magen til den, NBI-forskerne brugte i deres eksperimenter for at få kvantebits til at køre i bakgear. Foto: Ola Jakup Joensen

”Populært kan man sige, at vi har luret, hvordan man under bestemte omstændigheder kan sætte kvantebits både i fremadgående gear og i bakgear”, forklarer ph.d. Filip Malinowski fra Center for Quantum Devices (QDev) på NBI.

 Sammen med QDev-kollegaen Frederico Martins – som efterfølgende er blevet ansat ved det australske University of New South Wales – har Filip Malinowski stået i spidsen for ’bakgear-projektet’. Med i projektet var også kolleger fra det amerikanske Purdue University – idet amerikanerne stod for fremstilling af nogle ekstremt rene halvleder-krystaller, som NBI-forskerne skulle bruge som platform og fundament, når de skulle bygge det særlige ’miljø’, der gør det muligt at tvinge kvantebits til at køre i bakgear.

NBI-forskernes opdagelse skal ses som et led i bestræbelserne på at bygge fremtidens supercomputer, kvantecomputeren. Over hele verden arbejder videnskabsmænd med projekter, der på et tidspunkt skal kunne indgå i konstruktionen af en sådan computer – og det er også et af de højt prioriterede områder på QDev.

Forskerne brugte en kryostat for at kunne arbejde meget tæt ved det absolutte nulpunkt. Her et kig ind i kryostatens indre. Foto: Ola Jakup Joensen

For at bygge en kvantecomputer har man brug for kvantebits – og de fungerer anderledes end de binære bits, der er rygraden i dagens computere. De binære bits – altså de klassiske og velkendte bits – kan antage værdierne 0 eller 1, og fungerer i princippet som en kontakt, som enten er tændt eller slukket. Med kvantebits, der også kaldes qubits, forholder det sig derimod noget anderledes.

Lige som klassiske bits kan kvantebits antage værdierne 0 eller 1, men kvantebits kan også befinde sig i en tilstand, hvor 0 og 1 er repræsenteret på samme tid – en såkaldt superposition.

”Vi lader vores kvantebit være defineret af den retning, hvori elektronernes spin peger – og kontrollerer kvanteinformation ved at dreje elektronernes spin omkring andre akser. Teoretisk giver forlæns og baglæns rotation forskelligt resultat, men indtil nu har det eksperimentelt kun været muligt at udføre forlæns rotationer”, siger Frederico Martins.

Hastighed og præcision

Det forhold, at kvantebits kan være i en superposition, gør, at en kvantecomputer – når den på et tidspunkt er færdigudviklet – simultant vil kunne udføre et meget stort antal beregninger.

For at forske i udviklingen af kvantebits, er det nødvendigt at arbejde ved meget lave temperaturer - relativt tæt på det absolutte nulpunkt (-273,15 C). Forklaringen på dette er blandt andet, at ekstreme minustemperaturer skaber et miljø som beskytter de elektroner, der arbejdes med, mod forstyrrelser, heriblandt støj.

”Vores eksperimenter blev udført ved blot 0,02 C over det absolutte nulpunkt. Denne meget lave temperatur kunne vi skabe ved hjælp af udstyr, vi har her på QDev - en version af en kryostat”, forklarer Filip Malinowski:

”Og når en kvantecomputer på et eller andet tidspunkt er en realitet, vil den efter al sandsynlighed have indbygget en form for kryostat”.

Den sorte kvadrat er en halvleder-chip magen til den, NBI-forskerne arbejdede med. Halvleder-chippen måler cirka 3x3 millimeter. Chippen er monteret på en printplade. Foto: Filip Malinowski

Bil+analogien

Men hvilken betydning kan det få, at kvantebits nu kan tvinges til at køre i bakgear, således som NBI-forskerne viser?

For det første giver det mulighed for at foretage langt hurtigere beregninger af en given datamængde end man kan gennemføre ved hjælp af kvantebits som udelukkende har ét – fremadgående – gear.

Men bakgearet betyder også, at man ved at lade en kommende kvantebits-styret supercomputer arbejde i nogenlunde samme tempo som det, computere i dag kan præstere, kan opnå større præcision i de beregninger, maskinen leverer, fortæller Filip Malinowski: ”På den måde vil man være i stand til at undgå mange fejl, som man ellers efterfølgende skulle have fundet og rettet”.

For at forstå, hvor meget nemmere det bliver at styre kvantebits, når de pludselig kan forsynes med et bakgear, kan man bruge en bil-analogi, fortæller lektor Ferdinand Kuemmeth, leder af QDev-holdet bag opdagelsen:

”Forestil dig, at du kører i din bil hen ad en stærkt trafikeret gade. Du bor i denne gade, og du ønsker at parkere lige uden for din dør – helt præcist! Det kan i sig selv være en udfordring, når man har mange biler både foran sig, bag sig og på siden – (hvilket svarer til støj, når vi taler om kvantebits). Og endnu mere udfordrende bliver det naturligvis, hvis din bil ikke har noget bakgear”, fortsætter Ferdinand Kuemmeth:

”For hvis du kommer til at køre lidt for langt, kan du jo ikke korrigere, fordi du ikke kan bakke – og så må du i princippet køre en ny rundtur og håbe, at du laver en korrekt afstandsbedømmelse denne gang”.

Sådan forholder det sig også, når det handler om at kontrollere roterende kvantebits, fortsætter han: ”Hvis man kommer til at ’køre’ lidt for langt – og det sker jævnligt på grund af støj i det miljø, der arbejdes i – har det hidtil ikke været muligt at få en kvantebit til at rotere baglæns”.

Men det kan altså lade sig gøre nu, takket være det nyopdagede bakgear.

Precise qubit manipulations have many similarities to parking a car in a small parking place: With forward gear only any mistake can be corrected, but at significant cost - like driving a car around the block to try again. On the other hand with a reverse gear one can simply do fine adjustments by driving back and forth a little bit.

In the work of NBI scientists the forward gear indicates that two parallel electron spins have higher energy than electron spins pointing in the opposite directions. Meanwhile on the reverse gear the parallel spin configuration has lower energy.

Usually the two spins confined in the small space have low energy if they are pointing in opposite direction. That is because they can occupy the lowest orbital - like two electrons in an helium atom. Meanwhile the Pauli exclusion principle forbids two electrons to occupy the same orbital if their spin is the same. This forces the second electron to occupy another orbital, increasing its energy.

However, the situation changes when the two spins are floating in a pool of many other 'neutralized' electrons. Then the Pauli exclusion principle forbids the electrons with spins pointing in the same direction to be floating close to each other. Therefore two negatively charged electrons with parallel spins repel each other more weakly, than if their spins were opposite. All in all, weaker repulsion decreases the energy of parallel spin configuration.

In general these two effects coexist and compete. The NBI scientist demonstrated that it is possible to switch between configuration in which the former or the latter effect dominates.

En byggeproces

Den hidtil ukendte bakgearsfunktion i kvantebits er påvist i en forsøgsopstilling – et ’kvantemiljø’ – som NBI-forskerne skabte oven på det særlige krystal, deres amerikanske kolleger fra Purdue University havde bygget for dem.

I virkeligheden er miljøet en slags ’sandwich’ – en lagdelt konstruktion:

Nederst er krystallet, som er lavet af et materiale, der har en meget ensartet elektron-fordeling. Denne krystalstruktur dækkede NBI-forskerne med en polymer.

Næste skridt i processen var at ’tegne’ et rillemønster i polymerlaget ved hjælp af en elektronstråle – hvorefter polymeren blev ’skyllet’ ud af dette rillemønster med en kemisk blanding. Og endelig blev de nu blotlagte riller på toppen af krystallet dækket med et metal, for på den måde at danne elektroder – hvoraf de mindst blot målte 20 nanometer. Ved at sætte forskellige spændinger til disse elektroder er det muligt at frastøde eller tiltrække elektroner – og derved placere enkelt-elektroner i helt specifikke positioner.

NBI-forskerne benyttede den chip, man derved havde skabt, til præcist at kontrollere den såkaldte ’exchange’ vekselvirkning, der er en fundamental vekselvirkning mellem elektroner som kan tvinge kvantebits i bakgear.

Center for Quantum Devices (QDev) – hvor NBI-forskerne fik kvantebits til at køre baglæns. Foto: Ola Jakup Joensen

Hvorledes det mere detaljeret kan lade sig gøre, ses i grafikken. Men skal man forklare det kort og komprimeret, må man tage udgangspunkt i det forhold, at når man placerer to modsat rettede elektron-spin – hvoraf det ene peger op, mens det andet peger ned – i samme indesluttede miljø, begynder de at rotere sammen, siger Filip Malinowski:

”Disse elektroner er i dette tilfælde kvantebits - og hvis vi vender tilbage til bil-analogien, så kan man sige, at de begynder at rotere eller køre fremad. Hidtil har antagelsen været, at det var den eneste vej, de kunne køre – og det er her, vores opdagelse af en mulig bakgearsfunktion kommer ind i billedet”.

Bakgearsfunktionen bliver en realitet, når to elektron-spin – kvantebits - der peger i hver sin retning, placeres i et afgrænset miljø sammen med en masse andre elektroner, som også optræder parvis. I dette miljø bliver det – ved meget lave temperaturer - muligt at få kvantebits til at køre baglæns på kommando.

I det forsøg, NBI-forskerne har gennemført, spiller galliumarsenid en helt central rolle – det er det materiale, den amerikansk producerede krystalstruktur er lavet af. Men teknikken vil formentlig fungere lige så godt med en række andre materialer, der lige som galliumarsenid er halvledere, siger Filip Malinowski:

”Ikke mindst silicium, som også spiller en central rolle i de chips, der sidder i dagens computere. Silicium vil også kunne bruges som et byggemateriale i forbindelse med konstruktion af en kvantecomputer”.

Videnskabelige publikationer:

Filip Malinowski, post doctoral fellow, Center for Quantum Devices, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Mob: +45 2251 3132, Email: filip.malinowski@nbi.ku.dk

Ferdinan Kuemmeth, associate professor, Center for Quantum Devices, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Mob: +45 2116 2657, Email: kuemmeth@nbi.dk

Frederico Rodrigues Martins, Email: f.rodriguesmartins@unsw.edu.au