Nedbrydning udnyttes til opbygning af kvanteinformation
Normalt, når forskerne arbejder med behandling af kvanteinformation, gør de alt for at undgå, at informationen nedbrydes. Nu har forskere på bl.a. Niels Bohr Institutet vendt billedet rundt og udnytter nedbrydningen til at skabe den såkaldte entanglement eller sammenfiltring af atomare systemer, som er grundlaget for kvanteinformation. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Nature.
Kunstnerisk illustration af experimentet. Fire ioner fanges på en linie. De yderste Magnesium-ioner (grønne) køler systemet ved at udsende lys. Med lasere bringes de inderste Beryllium atom i en sammenfiltret tilstand, hvor man ikke kan beskrive hver enkelt ion for sig selv, men må istedet betragte de to ioner som et samlet system. I modsætning til tidligere experimenter foregår også denne process ved at ionerne udsender lys. (Billede fra NIST).
"Når man arbejder med kvanteinformation, vil man normalt bestræbe sig på at isolere systemet fra omgivelserne for ikke at få en forstyrrende vekselvirkning, som kan ødelægge den skrøbelige kvantetilstand. Men det er meget svært at undgå helt. Så vi tænkte, om man måske kunne tage den helt modsatte tilgang og istedet for at se på nedbrydningen som en fjende, så se på den som en ven og udnytte den", fortæller Anders Søndberg Sørensen, professor i kvanteoptik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Elektronernes springen hid og did
Problemet er, at kvantesystemet påvirkes af omgivelserne og udveksler energi med dem. Atomernes elektroner springer fra én energitilstand til en anden, og den slags spring anser forskerne for nedbrydning, for så forsvinden den information, som var gemt i elektronerne ud i omgivelserne.
"Men med vores metode lader vi kvantesystemet 'tale' med omgivelserne og skaber en styring af elektronernes spring, så de får lige præcist den tilstand, vi ønsker, de skal være i, og dermed udnytter vi vekselvirkningen med omgivelserne", fortæller ph.d.-studerende Florentin Reiter, der udviklede den teoretiske model for metoden sammen med Anders Sørensen.
Ionfælden, som blev brugt i eksperimentet. Elektriske spændinger sendes gennem tynde guldledninger på en chip og bruges til at fange ionerne i den lille sprække på chippen. (Billede fra NIST).
Forskningen er et samarbejde med den eksperimentelle forskningsgruppe, der ledes af David Wineland (modtager af Nobelprisen i fysik sidste år) på National Institute for Standards and Technology i Boulder Colorado, USA.
Sparker elektronerne på plads
Metoden er baseret på en kæde af ioner, som består af magnesium og berylium. De er kølet ned til næsten det absolutte nulpunkt på minus 273 grader C. Magnesiumatomerne skal bare være der som en slags køleelementer i kæden af ioner, mens det er baryliumatomerne, der er de aktive elementer. Ved hjælp af nøje kontrolleret laserlys skabes der sammenfiltring (entanglement) mellem berylium-ionernes elektroner.
Laboratoriet hvor eksperimentet blev udført. Billede fra NIST
"Tricket ligger i kombinationen af laserlys", fortæller Florentin Reiter og fortsætter "elektronerne kan befinde sig i fire forskellige energitilstande, og hvis de springer rundt og lander i en 'forkert' tilstand, får de simpelthen et 'spark' med laseren, og det bliver vi ved med, til de er, hvor de skal være. Derved sker der en perfekt sammenfiltring. I modsætning til tidligere, hvor man skulle bruge nøje afmålte laserpulser for at lave en sammenfiltring, kan forskerne nu i princippet bare tænde for laseren og tage sig en kop kaffe, hvorefter elektronerne er i den rigtige tilstand, når de kommer tilbage".
Nedbrydningen af kvanteinformation har hidtil været den største forhindring for at lave en kvantecomputer. I det nye eksperiment er det første gang, man har vendt problemet om og brugt nedbrydningen til noget konstruktivt i en kvantecomputer. Forskerne håber derfor, at dette kan være en metode til at overvinde nogle af de problemer, der hidtil har gjort det svært at lave kvantecomputere, og forskerne arbejder nu videre på at lave mere avancerede kvanteinformationsprocesser baseret på de samme idéer. Specielt håber de, at lignende teknikker kan bruges til at rette fejl i en kvantecomputer.