Lyden af kvantecomputere: Hvordan små vibrationer kan sikre fremtidens teknologi

Jeg vil være ærlig: kvantecomputere får stadig mit hoved til at spinne. Vi taler om maskiner, der udnytter fysikkens mest bizarre egenskaber til at løse problemer, som ville tage almindelige computere længere tid at løse end universet har eksisteret.

Men her er kruxet — kvantecomputere er skrøbelige som fanden. Det er som at bygge et sandslot i højvande, bare udskift tidevandet med baggrundsstøj og sandslottet med kvanteinformation.

Så jeg blev temmelig begejstret, da jeg stødte på denne nye forskning fra Harvard. Forskere der har leget med noget, der hedder fononer — det er i bund og grund små pakker af mekanisk vibration, lidt som ultrahyppige lydbølger — og de har fundet en måde at bruge disse små vibrationer til at beskytte kvanteinformation.

Udfordringen med kvantehukommelse

Problemet med kvantecomputere er, at de bruger qubits (kvanteversionen af almindelige bits) til at lagre og behandle information. Men qubits er notorisk kræsne med deres omgivelser. Hver lille forstyrrelse — vibrationer, temperaturændringer, elektromagnetisk støj — kan forvirre deres kvantetilstand.

Denne evne til at holde den skrøbelige kvantetilstand kaldes "koherens", og det er den stadige hovedpine for forskere i kvantecomputere.

Traditionelt har forskere brugt mikrobølgepulser til at beskytte qubits mod miljøstøj. Tænk på det som at konstant skubbe til en bowlingkugle balanceret på toppen af en bakke for at holde den fra at rulle ned. Det virker, men det er kompliceret og kræver præcis timing.

Harvard-holdet, ledet af forskerne Eliza Cornell og Zhujing Xu, løb ind i et problem: disse konventionelle beskyttelsesteknikker virker ikke særlig godt, når qubits er fanget inde i specielle strukturer kaldet fononiske kaviteter — præcis de strukturer man gerne vil bruge, hvis man vil udnytte lydbølger til at transportere kvanteinformation mellem forskellige dele af en chip.

Introduktion til "beklædte" qubits

Her bliver det interessant. I stedet for at bruge de konventionelle mikrobølgepulser prøvede holdet en anden tilgang: de påførte kontinuerligt et mekanisk drivfelt lavet af fononer. Grundlæggende "beklædte" de qubiten i et kontinuerligt akustisk felt.

Jeg elsker denne terminologi. Forestil dig, at din qubit skal til fest og mangler noget at tage på. I stedet for en jakkesæt eller kjole fik den monteret et lillebitte lydbølge-jakkesæt. Og tilsyneladende gør denne lydbølge-outfit qubiten mere modstandsdygtig over for lavfrekvent støj fra omgivelserne.

Den tekniske betegnelse er en "beklædt qubit", og effekten er ret bemærkelsesværdig. Forskerne fandt ud af, at denne kontinuerlige mekaniske beskyttelse forlængede koherens-tiden for deres qubit med cirka tre gange. Det er en betydelig forbedring, især når man arbejder med noget så sart som kvanteinformation.

Hvorfor det betyder noget

Det, der virkelig får mig til at juble over denne forskning, er, at fononer kan tjene en dobbeltrolle. De kan både transportere kvanteinformation mellem forskellige dele af et kvantenetværk og hjælpe med at beskytte den information mod korruption. Det er som at have et budfirma, der samtidig fungerer som pansret vagtbil.

Sammenlignet med at bruge lys (som er den mere almindelige tilgang til at flytte kvanteinformation) har fononer nogle klare fordele. De har meget kortere bølgelængder, hvilket betyder, at man kan bygge mindre komponenter og pakke dem tættere sammen på en chip. Derudover interagerer fononer let med både faste stof-systemer og elektromagnetiske felter, hvilket gør dem ideelle til hybride kvantesystemer, der kombinerer forskellige typer af qubits.

Det store billede

Denne forskning antyder, at mikroskopiske lydbølger kan blive et vigtigt værktøj i kvantecomputernes værktøjskasse. Vi taler ikke om kvantecomputere på dit skrivebord næste år, men vi gør reel fremgang med de grundlæggende udfordringer.

Harvard-holdets arbejde viser, at kontinuerlig mekanisk beskyttelse kan fungere i virkelige enheder — ikke bare i teorien. Det er et vigtigt skridt fremad. Som Eliza Cornell udtrykte det: De forsøgte at løse to problemer på én gang — stærk interaktion med fononer og lange koherens-tider — og de har demonstreret en metode, der opnår begge dele.

Kvantecomputing har været "fem år væk" i et stykke tid nu, og jeg tøver med at love, hvornår vi vil se praktiske kvantecomputere. Men hver gennembrud som dette bringer os tættere på den dag, hvor kvantemaskiner måske kan hjælpe os med at opdage nye lægemidler, bryde kryptering, simulere komplekse molekyler og løse problemer, vi ikke engang kan forestille os endnu.

Indtil da vil jeg bare sætte pris på elegance i at bruge lydbølger til at beskytte kvanteinformation. Der er noget næsten poetisk over det — idéen om, at de samme små vibrationer, der tillader lyd at rejse gennem luft, måske en dag vil hjælpe med at sikre de mest avancerede computere, der nogensinde er blevet bygget.