Labbet

Io-Chun Hoi huserar i Per Delsings labb på institutionen för kvantkomponenter på Chalmers. Kryobehållaren sätts ned (pilen) i den runda blå behållaren (kryokaviteten) och ledningar ansluts. Flytande helium hälls i och behållarens nedre ände tas ned till 50 millikelvin. Utrustningen längst ute till vänster håller ordning på kryokaviteten, vakuumpumpar med mera, medan instrumentracken intill används för att skicka ut mikrovågssignaler och ta tillbaka mätresultatet från kryobehållaren och förstärka signalerna så de kan databehandlas. Det svarta bordet är vibrationsisolerat, för att förhindra störningar i mätningarna, kontaktfel och så vidare, i det kylda tillståndet.

Både lagring och logik
Den grundläggande enheten i en kvantdator är kvantbiten, en enhet med kvantmekaniskt beteende. Den används både för datalagring och som logiskt element. Kvantbitar kan tillverkas på flera sätt, i form av enskilda joner (om man kan klara av att hantera dem, se årets Nobelpris i fysik) eller som någon annan ickelinjär process.

På Chalmers använder man sig av mikrovågsresonatorer, svängningskretsar vid omkring 6 gigahertz, som fått spolen utbytt mot en supraledande josephsonövergång som i princip fungerar som en ickelinjär, styrbar induktans, som man kan ställa om resonansfrekvensen på. Den får egenskapen att den bara kan innehålla en enda foton. En enda foton är en enda partikel, och kan därför utsättas för kvantfysiska experiment. Chalmers kallar den för en ”artificiell atom”. Mikrovågor, ljus och annan elektromagnetisk strålning består av fotoner, som är både vågor och partiklar, och här har man lyckats fånga och behålla en enda foton i mikrovågsområdet, något man tidigare lyckats med i det optiska området på annat håll i världen.

– Vi arbetar mellan 5 och 10 gigahertz, för då kan man använda vanlig mikrovågsutrustning, nätverksanalysatorer, filter med mera, som kan köpas öppet, säger Göran Johansson.

Kvantprogrammering är ett formaliserat sätt att beskriva hur datorn ska kopplas, i vilken ordning mikrovågspulser ska skickas och med vilka frekvenser. I sin enklaste form hårdkopplas algoritmen alltid. Under körningen flyttar man information mellan kvantbitarna genom någon sorts medium, exempelvis en buss (se bilden på nästa sida) vilket kan liknas vid omkoppling eller routning,

Grindar, alltså logiska funktioner, är inte särskilda element utan utförs som olika former av samverkan mellan kvantbitar. Man använder inte binära logiska and- och nand-funktioner utan exempelvis pauli-x som innebär en fasvändning av kvantinformationen, i princip en inverterare (not), en swap-grind som byter information mellan två bitar, eller en cnot (controlled not) som inverterar en kvantbit med hjälp av en styrbit. Om styrbiten är 0 förblir den styrda biten opåverkad men om styrbiten är 1 inverteras den styrda biten, alltså en binär logisk exor.



En kvantbit som arbetar med mikrovågor kan skapas med en svängningskrets. Men en harmonisk (vanlig) svängningskrets kan matas med godtyckligt mycket energi. Ersätter man induktansen med en supraledande josephson­övergång (JÖ) som olinjär induktans, kan kretsen bara innehålla en enda foton, ett mikrovågskvanta, och får kvantfysiska egenskaper. Den kan då kallas för en ”artificiell atom” och användas för kvantfysiska experiment.

kvantbit

En kvantbit för mikrovågsfotoner hyses på en kiselbit om 5 gånger 5 millimeter, monterad på ett större kretskort som i sin tur sitter i en metallmodul om 2 gånger 2 centimeter. Inkommande signal knyts från kretskortet till kislet med vanliga bondtrådar i guld, som i vilken ic-krets som helst.

På kislet har man lagt en guldyta som ska fungera som jordplan, eftersom signalerna är i nivån pikovolt. Guldytan är på många ställen fäst till kretskortets jordplan. Kretsen är utförd som en mikrovågskrets i aluminium ovanpå guldytan.

Stripline-ledaren, som är matarledaren till resonanskretsen, kan ses som mittledaren i en utplattad koaxialkabel, som är isolerad från det omgivande jordplanet med aluminiumoxid (mörk).

Bara genom att resonanskretsen ligger intill stripline-ledaren, kopplas tillräckligt med signal kapacitivt (kopplingskapacitans) över till de två stripparna som utgör kapacitansen i resonanskretsen. De är hopkopplade med den olinjära induktansen, josephsonövergången. När aluminiumet kyls till 1,2 kelvin blir det supraledande, medan aluminiumoxiden fortsätter att vara en isolator.

Det är övergången supraledare-isolator-supra–ledare som fungerar som en olinjär induktans, eftersom strömmen tunnlar över det isolerande gapet. I det här fallet används en dubbel josephson för att man ska kunna stämma om resonanskretsen med hjälp av ett yttre magnetfält (styrsignalen).

Just den här kretsen används inte för beräkningar utan för mätningar av kvantbitens egenskaper. Skickar man in en puls V(in) kommer den antingen att reflekteras (R) eller transitera förbi kvantbiten (som pulsen V(t)), beroende på bitens tillstånd.

Observera att det inte finns några halvledarkomponenter på kislet. Det fungerar bara som bärare, substrat.

14 bitar är rekord
I praktiken finns det inte några särskilt avancerade kvantdatorer. Världsrekordet just nu verkar ligga på 14 kvantbitar.

Ett av problemen är de oerhört låga signalnivåerna man rör sig med. Både på grund av att man behöver en olinjär övergång, som måste vara supraledande, och på grund av att det termiska bruset i elektroniken skulle överskugga signalen av en enda foton om ledarna vore resistiva, måste kvantbitarna och kringverket kylas ned till bara 50 tusendels grader över absoluta nollpunkten, 50 millikelvin.

Det hela är också känsligt för externa magnetfält och måste skärmas av noggrant. Om kvantbiten växelverkar med externa magnetfält, innebär det att dessa ”mäter” på den och därmed får den att kollapsa.

Dessutom är utrustningen mekaniskt känslig och måste byggas på ett vibrationsdämpat bord.

Det kvantfysiska sker i en kryogeniskt kyld anordning, en långsmal burk där kvantbiten monteras längst ned, varefter hela burken sänks ned i ett kryogeniskt termoskärl, en kryokavitet, och alltihop vakuumpumpas.