Runt -140 decibelmilliwatt
Signalnivåerna i kvantbiten ligger kring -140 decibelmilliwatt, som översatt till spänning är ungefär några pikovolt över 50 Ohm. Som jämförelse kan man nämna att en mobiltelefon fungerar bra vid signalnivåer på mellan -30 och -60 decibelmilliwatt, men hör ingen radiovåg under -100 decibelmilliwatt. Här dyker vi alltså 10 000 gånger längre ned i nivå.

Det skulle inte gå att mata in en pikovoltspänning utifrån in i den kryogeniska burken direkt, för den skulle vara dränkt i brus innan den hann fram. I stället får man mata in en kraftigare signal och dämpa den i flera steg på vägen ned genom kryokärlet, ned mot allt lägre temperaturer.

fyrbitars dator

En fyrabitars kvantdator kan användas till att faktorisera ett fyrabitars primtal enligt Shors algoritm. Den klarar 48 procent av gångerna man kör algoritmen av att dela upp primtalet 15 i faktorerna 5 och 3. En körning tar några hundra nanosekunder.

Via dataingångarna (som också är josephsonbaserade) kan man sätta kvantbitarnas värden och läsa ut dem igen och med styringångarna kan man stämma om kvantbitarnas frekvens i området mellan 6 och 7 gigahertz, för att kunna koppla, eller koppla bort, respektive kvantbit Q1–Q4 från databussen (Buss) som är en resonator som är en halv våglängd vid 6,1 gigahertz. Bussen kan lagra kvantbitens energi för en kort stund och överföra den till en annan bit (lite von Neumann-aktigt). När en kvantbits tillstånd sammankopplas med en annan bit kallas det entanglement.

Operationen kan fortgå tills den energi som lagrats i kvantbitarna försvunnit genom utstrålning (relaxation) eller på grund av att bitarna inte längre svänger i fas (quantum decoherence). För bitarna kan det röra sig om 200–400 ns och för bussen 3 ms. Bild: University of California, Santa Barbara.

single photon router

En mikrovågssignal från någon del av en
kvantdator måste kunna routas på sin färd genom kvantdatorn, i dess slutliga, praktiska utförande. Det görs med en router bestående av cirkulatorer, mikrovågskomponenter som tar emot en puls på en ingång och kan släppa ut den på en av flera utgångar.

Vilken utgång det blir, väljs genom att man aktiverar lämplig kvantbit (A, B eller C) som fungerar som en sorts spegel och tvingar signalen uppåt ur cirkulatorn mot exempelvis utgång 1, eller släpper den vidare till nästa cirkulator.

Eftersom kretsen kan routa enskilda mikrovågsfotoner kallas den för ”single photon router”. En sådan implementerades nyligen av Io-Chun Hoi på Chalmers. Bild: Io-Chun Hoi

Mer brus än signal
Utsignalen från kvantbiten ligger i samma härad som insignalen, och måste förstärkas med kylda lågbrusiga förstärkare på väg ut ur apparaturen för att bli hanterbar. Ändå är det momentant mycket mera brus än signal. Signalen kan därför inte mätas direkt utan man får påvisa dess existens genom att köra experimentet om och om många miljarder gånger under cirka 17 timmar och därefter utvärdera flera terabyte mätdata och medelvärdesbilda fram ett resultat.

Kvanttillstånd tar man inte där man sätter dem. Utöver problemet med störningar tillkommer kvantbitarnas instabilitet som kan få dem att falla tillbaka från ett inställt värde till ett fullständigt slumpmässigt tillstånd. För att hantera det kan man antingen införa felkontroll i form av extra kvantbitar, vilket inför mycket stor ytterligare komplexitet, eller köra om algoritmen ännu flera gånger för att få redundans i svaret.

Kanske om 10 år
Kommer kvantdatorer till verklig användning i vår livstid?
– Vi har riktlinjer. Det är vi på Chalmers och amerikaner, schweizare och fransmän som håller på med supraledande kretsar. Andra använder sig av orenheter i diamanter eller med optiska fotoner i ljusledare.

– Syftet med EU-projektet Eurosquip där vi ingår, är att tillverka en prototyp med 5–10 kvantbitar. Jag tror absolut vi får se något i vår livstid. Just nu är det spektakulära saker som faktorisering i avsikt att knäcka krypton som ger alla forskningspengar. Själv tror jag mera på sökfunktioner, att testa många olika möjligheter samtidigt. Men det är fortfarande tio år kvar innan vi har maskiner med 100 kvantbitar, som kan användas till något praktiskt, avslutar Göran Johansson.

Läs mer på nätet