Kvantsimulering och kvantkommunikation med stora atomer

Forskningsprojekt, 2022 – 2027

Jag ska utveckla kvantteknologi baserad på ett nytt forskningsfält inom kvantoptik: stora atomer. När ljus och materia växelverkar brukar man anta att atomer är mycket mindre än ljusets våglängd. Denna standardapproximation håller inte i experiment med supraledande artificiella atomer (kvantbitar) kopplade på flera punkter, våglängder från varandra, till vågledare för mikrovågor. Detta leder till interferenseffekter som skyddar de "stora" atomerna från att förlora energi till vågledaren men ändå låter dem utbyta kvantinformation genom den. Den skyddade växelverkan kan styras genom att ändra kvantbitarnas frekvenser. Jag kommer använda detta i effektiva protokoll för simulering av öppna kvantsystem: de stora atomerna kommer efterlikna ett kvantsystem (t.ex. en molekyl) och vågledaren dess omgivning. Sådana simuleringar är svåra för både vanliga datorer och kvantdatorer. Mina simuleringsmetoder kan möjliggöra nya upptäckter inom fysik, kemi och biologi. Jag kommer också använda stora atomer för kvantkommunikation. Deras skyddade växelverkan möjliggör skapandet av sammanflätade tillstånde som kan distribueras genom vågledare. Sådan distribution av kvantinformation är viktig för att bygga stora kvantdatorer. Jag kommer anställa 1 doktorand och 3 postdokar för att skapa dessa nya metoder för kvantsimulering och -kommunikation. Jag kommer utnyttja existerande samarbeten med experimentella och teoretiska forskargrupper för att implementera och förfina metoderna.

Populärvetenskaplig beskrivning
Att förstå egenskaper hos olika typer av stora molekyler som DNA och enzymer är mycket viktigt för att kunna utveckla nya och bättre mediciner eller kemiska processer. Många sådana egenskaper är dock svåra att beräkna eftersom molekylernas uppbyggnad styrs av kvantfysikens lagar, som tillåter molekylernas tillstånd att vara en summa av flera olika konfigurationer. Inte ens de största superdatorerna idag klarar av att söka igenom de astronomiskt många kombinationer av konfigurationer som är möjliga för stora molekyler. En ytterligare komplikation är att molekylernas egenskaper också kan påverkas av deras växelverkan med sin omgivning (t.ex. vatten eller andra molekyler). Att ta med denna effekt i beräkningarna leder till ännu större utmaningar. På senare tid har forskare försökt komma runt dessa svårigheter genom att låta konstgjorda kvantfysikaliska system simulera andra dito. De konstgjorda systemen är uppbyggda av små elektriska kretsar som kyls ned till temperaturer nära nollpunkten och kan kontrolleras för att efterlikna förhållanden i molekyler. Ett stort problem är dock att denna kontroll kräver att det konstgjorda systemet isoleras från sin omgivning, vilket gör att molekylers växelverkan med sin omgivning inte kan simuleras på ett bra sätt. I det här projektet kommer vi utveckla metoder för att simulera kvantfysikaliska system i kontakt med en omgivning. Metoden bygger på en ny uppställning ("stora atomer") för de elektriska kretsarna som utnyttjar interferens för att slå av och på deras koppling till sin omgivning. När kopplingen är av kan man utföra de nödvändiga operationerna för att efterlikna kvanttillstånd hos molekyler. Man kan sedan välja hur länge kopplingen slås på för att efterlikna olika styrka på molekylernas växelverkan med sin omgivning. En ytterligare del i projektet är att använda den nya uppställningen inte bara för simulering, utan också för kommunikation av kvanttillstånd. Tanken är att först slå av kopplingen till omgivningen för att förbereda kvanttillståndet som ska skickas och sedan slå på kopplingen för att skicka iväg det. Detta kan vara användbart för att bygga stora kvantdatorer, som kan utnyttja kvantfysikens lagar för att göra vissa typer av beräkningar mycket snabbare än vanliga superdatorer.