Ny magnetisk resonansteknik kan revolutionera kvantberäkningar

2001 avslöjade ett team av fysiker från IBM och Stanford University i Silicon Valley att de hade byggt en anmärkningsvärd dator som kan utnyttja kvantmekanikens konstiga regler för att bearbeta information.



Denna kvantdator designades för att faktorisera siffror, ett problem som konventionella datorer har särskilda problem med. Teamet visade det stolt genom att hitta de två primfaktorerna för talet 15 (3 och 5, om du undrade).

Det var en imponerande bedrift. Det var möjligt eftersom ett kvantobjekt kan existera i två tillstånd samtidigt, vilket representerar en 0 och 1 samtidigt. Denna typ av superposition gör att ett kvantobjekt kan beräkna med 2 bitar samtidigt, två kvantobjekt att beräkna med fyra bitar samtidigt, åtta kvantobjekt att beräkna med 256 bitar och så vidare.





IBM/Stanford hade bara sju qubits till sitt förfogande. Men löftet från den här typen av enheter är enormt: en dator med bara 30 qubits skulle vara kraftfullare än någon befintlig konventionell dator.

Men under de tio åren sedan dess har ingen byggt en kvantdator som är mycket kraftfullare än så här. Hurså?

IBM/Stanford-maskinen arbetade med en teknik som kallas magnetisk resonans. Tanken är att hitta en molekyl som innehåller atomkärnor som kan fås att snurra upp eller ner vid lite olika energier. Detta gör att varje kärna kan adresseras separat med hjälp av tekniken för magnetisk resonans.



Detta innebär att placera dem i ett kraftfullt magnetfält, zappa dem med radiovågor och sedan lyssna efter ekot. (Alla som har genomgått en MR-undersökning kommer att ha fått samma behandling.)

Tekniken fungerar med alla typer av molekyler som aceton, koffein och till och med alkohol, även om IBM/Stanford-teamet använde en exotisk molekyl känd som ett perfluorbutadienyljärnkomplex för att få sina sju qubits. Och den fungerar även i rumstemperatur, vilket är praktiskt.

Men här är grejen. Signalen från en enskild molekyl är för svag för att den här tekniken ska kunna ta upp så du måste använda en hel kopp molekyler för att göra beräkningen. Och det sätter allvarliga gränser för teknikens skalbarhet.

Att använda större molekyler för att öka antalet qubits minskar dramatiskt signalen du kan fånga upp från varje qubit. Så tekniken för magnetisk resonans med en kopp molekyler fungerar helt enkelt inte för många mer än en handfull qubits.



Det är därför fysiker har suttit fast så länge. Ingen visste hur man skulle öka antalet qubits förrän nu.

Idag säger Mike Grinolds och kompisar vid Harvard University att de har knäckt problemet. Och sättet de har gjort det är att krympa affärsänden av en magnetisk resonansmaskin till storleken på ett knappnålshuvud. (Om du någonsin har sett en magnetisk resonansmaskin, vet du vilken bedrift det är.)

De har gjort det genom att placera en kraftfull magnet vid skanningsspetsen på ett atomkraftmikroskop. På så sätt kan de skapa en kraftfull magnetfältsgradient i en rymdvolym bara några nanometer tvärs över. Det gör att de kan stimulera och kontrollera den magnetiska resonansen hos enskilda elektroner.

De har testat sin enhet på så kallade kvävevakanser i diamant. Dessa skapas genom att gräva ner enstaka kväveatomer i tunna diamantskivor. Kvantfysiker är fascinerade av dessa vakanser eftersom de är väl skyddade från omvärlden och så stabila, och är lätta att se av fotoner de avger.

Dessa lediga platser kan också placeras nära varandra så att de kan interagera med varandra, ett avgörande krav för kvantdatorer eftersom det tillåter skapandet av kvantlogiska grindar med mer än en uppsättning ingångar och utgångar.

Men sådana grindar fungerar bara om elektronerna i de vakanser kan manipuleras på rätt sätt.

hur mycket kostar Starlink internet

Det är precis vad den nya magnetiska resonanstekniken tillåter: manipulering av elektroner på ett sätt som lätt kan anpassas för kvantberäkning.

Grinold och co säger att detta har intressanta potentiella applikationer, allt från känsliga magnetometrar i nanoskala till skalbara kvantinformationsprocessorer.

Det är ett spännande genombrott. Vakanser för kväve i diamant är väl studerade i många laboratorier runt om i världen och atomkraftsmikroskop är ganska standardkomponenter. Lägg till det till det faktum att den första storskaliga kvantdatorn med största sannolikhet kommer att vinna sin ägare ett anständigt pris och du har alla ingredienser för en rasande.

Och det är utan att nämna de många andra löparna: jonfällor, kvanthåligheter, supraledande qubits och optiska logiska grindar och liknande.

I kvantberäkningssteeplechase verkade det en gång som om magnetresonansen hade fallit först. Nu är den igång igen och jagar ledningen.

Ref: arxiv.org/abs/1103.0546 : Kvantkontroll av proximala spins med hjälp av magnetisk resonanstomografi i nanoskala

Du kan nu följa The Physics arXiv Blog på Twitter

Dölj