Kvantehukommelse - en nål i en høstak

Kvantefysikken beskriver mikroskopiske partiklers opførsel, og den er speciel ved blandt andet at beskrive partikler, som om de er flere steder på samme tid, og som om deres tilstande er indbyrdes forbundne, selvom de er fjernt fra hinanden.

Hvis vi kan lagre computerdata i mikroskopiske partikler, kan netop de egenskaber tillade meget effektive beregninger.

Det kan de, fordi computerens grundlæggende databits, som normalt kun kan være enten 0 eller 1, bliver til kvantebits, som kan være både 0 og 1.

Vi kan således på en enkelt processor og på samme tid udføre flere regnestykker, idet vi regner på tal, som har flere værdier. Men det kræver naturligvis, at vi kan overføre data til mikroskopiske partikler, og styre de fysiske processer der fører til beregningen.

LÆS OGSÅ: Danske forskere viser en ny vej mod kvantecomputere

Kvantetilstande er meget skrøbelige

I en sædvanlig computer benyttes forskellige komponenter (harddisk, CPU, USB-porte, joy-sticks, wi-fi osv.) til at lagre og behandle data og til at kommunikere med brugeren og andre computere på internettet.

På samme måde kan vi se, at forskellige mikroskopiske kvantekomponenter vil være bedst egnede til forskellige opgaver i en kvantecomputer.

En lovende kvanteteknologi benytter bittesmå elektroniske kredsløb. Når de køles ned til temperaturer nær det absolutte nulpunkt, bliver de superledende, så al elektrisk modstand forsvinder, og de mikroskopisk svage strømme og spændinger kan antage flere værdier på samme tid.

Kvantetilstande er meget skrøbelige, og selvom kredsløbene er velegnede til at foretage hurtige operationer, er de desværre ikke gode til at holde på tilstandene meget længere end få mikrosekunder – milliontedele af et sekund.

Et nyt forslag til kvantehukommelse

Det fik for omtrent fem år siden flere grupper til at foreslå, at de skrøbelige kvantetilstande i kredsløbene kunne overføres og gemmes i et helt andet fysisk system, en kvantehukommelse med længere opbevaringstider.

Herfra kunne de så føres tilbage til kredsløbet igen, når man skulle regne videre på dem.

Et forslag til en sådan kvantehukommelse, som er beskrevet i artiklen 'Sådan bygger man en kvantecomputer', foreslog meget simpelt at anbringe et materiale i umiddelbar kontakt med kredsløbet, så strømmene og spændingerne i kredsløbet gennem radiobølger kan overføre deres energi til svingninger i elektroner i materialet.

En enkelt elektron vil ikke kunne absorbere de meget svage svingninger hurtigt nok, men mange elektroner vil hurtigt kunne fordele radiobølgens energi imellem sig.

Kvantetilstanden er som en nål i en høstak

Flere forskningsgrupper viste meget hurtigt, at den hurtige dataoverførsel faktisk virker, og at man for eksempel kan flytte kvantetilstande frem og tilbage mellem et kredsløb og særlige elektron-defekter, som opstår i diamanter ved beskydning med kvælstofatomer (Se illustrationen fra Wien i Østrig).

Flere fine forsøg fulgte, men forskningen var helt fra starten plaget af et problem:

Den mikroskopiske energimængde kunne nok fordeles på de mange elektroner i de forskellige materialer, men her er kvantetilstanden som en nål i en høstak og den bliver faktisk glemt endnu hurtigere i materialet, end hvis den var forblevet i det oprindelige kredsløb!

Problemet er, at energien er fordelt på mange elektroner, og på grund af små variationer i den krystal, de sidder i, udvikler de sig forskelligt med tiden; de kommer hurtigt ud af takt, og i stedet for senere at vekselvirke meget stærkt med kredsløbet, trækker de i forskellig retning og modvirker hinanden.

Det problem forudså vi naturligvis allerede for fem år siden, og vi kom med forskellige teoretiske forslag til at løse det.

Kredsløbet kan forlænge hukommelsens levetid

I to meget nylige eksperimenter i 2014 er det nu lykkedes to forskningsgrupper i Østrig og i Frankrig at tæmme nålen i høstakken og forlænge hukommelsens levetid.

I Østrig fandt Stefan Putz og kolleger, at med den samme mekanisme, som får elektronerne til på kommando at opfange kredsløbets energi, når de to systemer har matchende energier, kan kredsløbet også bruges til at påvirke elektronerne til at gå i takt i længere tid – som en officer og en deling soldater.

For at det virker, skal man justere på systemerne, så deres energier er for forskellige til at tillade yderligere overførsel af tilstande imellem dem (i fysiske processer er energien altid bevaret), men stadig tæt nok til at elektronerne 'mærker' kredsløbet.

... og påvirke elektronerne til at gå i takt i længere tid

I Frankrig lod Cécile Grezes og kolleger i stedet elektronerne udvikle sig frit og komme helt ud af takt med hinanden, indtil hun med en stærk magnetisk puls skiftede deres retning, så de, stadig med forskellige hastigheder, bevægede sig, men nu i modsat retning.

De elektroner, som havde bevæget sig hurtigst og længst, var nu også hurtigst på vej tilbage, og som ved et ekko kom de alle tilbage i takt på samme tid, hvor de hurtigt kunne overføre indholdet i hukommelsen tilbage kredsløbet.

Samme ekko-princip benyttes i øvrigt til at give brugbare signaler ved magnetisk resonans-skanninger på sygehuse.

De første skridt mod en kvanteharddisk er taget

Begge forskningsgrupper var i stand til at demonstrere flere sjove processer i deres laboratorier; for eksempel kunne man i Wien overføre kvantetilstandene ad flere omgange i en sekvens af pulser, ligesom man med en række puf kan skubbe sig i gang på en gynge, indtil man har fået fart nok.

I Frankrig kunne man vise, at flere forskellige kvantetilstande kan overføres til hukommelsen, en efter en:

Hver gang en nål er forsvundet i høstakken, kan man komme med en mere. Efter en enkelt magnetisk puls, der skifter alle elektronernes bevægelse og får dem til at løbe baglæns, ses en hel stribe af ekkoer, når de enkelte lagrede nåle kommer i takt igen.

Der er stadig lang vej, før kvantehukommelser bliver ligeså pålidelige som harddisken i en computer, men med forsøgene i Østrig og Frankrig er de første skridt taget imod en kvante-harddisk, som både kan huske meget og længe.