Teori för Kvantinformation och Kvantoptik i Supraledande Kretsar

Forskningsprojekt, 2011 – 2013

Kvantfysik och informationsteori utgör två av det förra seklets mest betydelsefulla vetenskapliga och teknologiska genombrott. Mot slutet av förra seklet initierade ett antal vetenskapliga upptäckter en process där dessa två fält nu förenas och vi har börjat tala om Kvantinformation. Forskare förstod att en dator där informationen lagras och bearbetas enligt kvantfysikens principer skulle kunna lösa problem som är olösbara för dagens datorer. Det blev också tydligt att kommunikation som bygger på kvantinformation tillåter oss att göra saker vi inte kan göra med klassisk kommunikation, t ex kan den göras helt säker mot avlyssning. Flera teknologier för kvantinformation har utvecklats. En del av dem använder sig av mikroskopiska kvantsystem - atomer och fotoner. Andra använder sig av makroskopiska, litografiskt fabricerade elektroniska system (artificiella atomer) - kvantmekaniska supraledande kretsar och halvledarkvantpunkter. Mikroskopiska och makroskopiska kvantbitar har komplementära egenskaper: de mikroskopiska kvantbitarna behåller sina kvantegenskaper under lång tid, men är svåra att styra och avläsa. De makroskopiska kvantbitarna är relativt enkla att koppla till varandra och styra, men deras kvantegenskaper degraderar snabbare. Detta projekt avser teori för supraledande kvantbitar, vilka allmänt anses som de mest lovande kvantbitarna som kan fabriceras med litografiska metoder. Detta forskningsfält har utvecklats mycket starkt de senaste 10 åren, och forskargrupper vi Chalmers är med i forskningsfronten. Det finns olika metoder för att koppla kvantbitar och på Chalmers har man riktat in sig på att använda ställbara mikrovågsresonatorer. Kvantbitarna har olika frekvens och kopplas genom att resonatorn går in och ur resonans med de olika kvantbitarna. Nyligen visade Chalmersforskare att det går att ställa om resonansfrekvensen mycket snabtt. Frekvensändringar på 300 MHz kan åstadkommas på ett fåtal nanosekunder. Det aktuella projektet består av fyra tydliga delprojekt: 1) Realistisk modellering av system med 3-5 kvantbitar i en ställbar kavitet. Detta delprojekt genomförs i nära samarbete med den experiment. Mycket av teorin är känd, men det är en utmaning att sätta samman alla delar till en fungerande modell som passar till experiment. 2) Teoretiska studier av så kallad kvantåterkoppling. Detta innebär att man mäter svagt på kvantbiten och sedan återkopplar man denna (ofullständiga) information till kvantbitens styrsignaler. Att göra detta innan kvantbiten har förlorat sina kvantegenskaper och blivit klassisk, är något som ingen lyckats med experimentellt än. Detta projekt ger nya insikter i hur svaga kvantmätningar skall modelleras och ger också nya möjligheter för att styra kvantbitar. 3) Kvantoptik med propagerande mikrovågsfält. Supraledande kvantbitar utgör som sagt en form av skräddarsydda atomer. Denna egenskap gör att man kan studera kvantoptik, dvs den fundamentala växelverkan mellan ljus och materia på nivån av enstaka atomer och enstaka fotoner, i helt nya regimer. T ex är det normalt sett svårt att skapa stark koppling mellan propagerande ljus i en enda mod (kanal) och en enda atom. Genom att sätta supraledande kvantbitar i mikrovågsledare kan man relativt enkelt realisera detta scenario. Detta tredje delprojekt avser teori fär detta snabbt växande fält. 4) En spännande möjlighet är att använda de mycket snabba frekvensändringarna av den ställbara kaviteten till att studera relativistiska effekter i kvantfältteori. Det visar sig nämligen att om man modellerar frekvensomställningen med att längden på kaviteten verkligen ändras, då motsvaras de experimentella resultaten av att änden på kaviteten oscillerar med en maximal hastighet så stor som 10% av ljushastigheten. Vi har nyligen visat teoretiskt att detta skall gå att använda för att testa en teoretisk förutsägelse från 1970-talet, som hittills undgått expermientella bevis. Förutsägelsen kallas dynamisk Casimir-effekt och innebär att om man svänger på en spegel i ett mörkt rum så skapar man fotoner. Effekten är märkbar endast när spegelns hastighet närmar sig ljusets hastighet, vilket förklarar varför ingen lyckats mäta den än. Detta delprojekt avser fortsatta teoretiska studier av den dynamiska Casimir-effekten och andra relativiska effekter hos endimensionella kvantiserade fält.