Robusta grindar för kvantdatorer

Projekttitel: Robusta grindar för kvantdatorer
Huvudsökande: Erik Sjöqvist, avdelningen för materialteori
Beviljade medel: 3 100 000 SEK för perioden 2017-2021
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Projektbeskrivning

Klassisk information kan kodas i en uppsättning ”bitar” vars värde 0 eller 1 kan transformeras med hjälp av logiska operationer, så kallade ”grindar”. Analogt kan kvantinformation kodas i ”kvantbitar” vars tillstånd kan transformeras med hjälp av ”kvantgrindar”. Den viktiga skillnaden är att kvantbitar inte bara kan försättas i tillstånden 0 eller 1 utan också superpositioner av 0 och 1, vilket är en egenskap som öppnar upp för en ny typ av beräkningsmaskiner, så kallade kvantdatorer. Med hjälp av superpositioner av kvantbitar kan kvantdatorer lösa vissa beräkningsproblem exponentiellt snabbare än dagens konventionella datorer. Att förverkliga storskaliga kvantdatorer skulle revolutionera ett flertal tillämpningar inom modern kvantfysik, till exempel för beräkningar av egenskaper hos stora molekyler samt utvecklandet av nya material inom kondenserade materiens fysik. Kvantdatorer skulle också kunna faktorisera stora tal exponentiellt snabbare än alla hittills kända klassiska faktoriseringsalgoritmer. En realisering av kvantfaktorisering skulle få stora konsekvenser för några av de viktigaste kryptosystemen idag, som använder sig just av svårigheten att faktorisera.

Om nu kvantdatorer är så kraftfulla, varför finns de inte redan i bruk? Svaret är att de är mycket känsliga för påverkan från omgivningen och fluktuationer i experimentella kontrollparametrar. Dessa effekter kan leda till att beräkningskraften hos en kvantdator går förlorad genom att de leder till svårkorrigerade fel hos kvantgrindarna. Detta är det bakomliggande skälet till att man hittills endast har experimentellt kunnat realisera kvantdatorer med ett fåtal kvantbitar. Att konstruera kvantgrindar som är robusta mot omgivningseffekter och fluktuerande kontrollparametrar har därför kommit bli ett centralt tema inom forskningen om kvantdatorer.

Detta projekt syftar till att teoretiskt utveckla arkitekturer för att bygga kvantgrindar genom att kombinera strategier att handskas med olika typer av felkällor. En gemensam nämnare för dessa strategier är att de utgår från idén att använda icke-kommuterande geometriska faser, så kallade kvantholonomier, för att bygga kvantgrindar. Holonoma kvantgrindar är viktiga för att lösa problemet med oönskade fluktuationer hos experimentella parametrar som styr tidsutvecklingen av kvantbitarnas tillstånd. Vi har utvecklat en ny typ av robusta och snabba (icke-adiabatiska) holonoma kvantgrindar [New J Phys 14, 103035 (2012)] som har öppnat upp för de första realiseringarna av universella robusta kvantgrindar baserade helt och hållet på geometriska faseffekter [Nature 496, 482 (2013); Nature 512, 72 (2014)]. Det sökta projektet är en vidareutveckling av ett tidigare VR-finansierat projekt [med slutdatum 2017-12-31], genom att vi i det sökta projektet studerar holonoma grindar både från ett teoretiskt och experimentellt perspektiv samt att vi teoretiskt siktar på att utveckla systematiska optimeringsstrategier för att maximera kvantgrindarnas fidelitet. Den experimentella delen görs i nära samarbete med Prof. Stefan Kröll vid fysiska institutionen, avdelningen för atomfysik, Lunds universitet.

Projektet är uppdelat på tre delar: (i) Pulsoptimering av icke-adiabatiska holonoma kvantgrindar; (ii) optimal kvantkontrollteori för att finna metoder att realisera holonoma kvantgrindar i verkliga multinivåsystem; (iii) experimentell implementering av kvantgrindar som manipulerar kvantbitar realiserade i oorganiska kristaller dopade med sällsynta jordartsmetaller. Den teoretiska delen syftar till att finna nya metoder att bygga kvantgrindar som är robusta mot ett brett spektrum av olika felkällor. Den experimentella delen syftar till att påvisa den praktiska användbarheten av några av dessa metoder.

Genom att kombinera teori och experiment med målet att implementera kvantgrindar som är robusta mot ett brett spektrum av olika typer av felkällor hoppas vi kunna ge ett viktigt bidrag till forskningen att bygga storskaliga kvantdatorer. På ett övergripande plan syftar projektet att stärka kvantdatorforskningen i Sverige genom att bygga upp ett nära samarbete mellan två forskargrupper vid två svenska lärosäten.