LMU-tutkijat kehittävät kvanttilaskentaa yksittäisillä atomeilla

Ludwig-Maximilians-Universität Münchenin (LMU) kvanttifysiikan professori Johannes Zeiher on keskeisessä roolissa kehitettäessä uusia menetelmiä kvanttilaskentaan hyödyntäen yksittäisiä atomeja. Hänen tutkimuksensa on johtanut planqc-nimisen startup-yrityksen perustamiseen, joka keskittyy tämän lupaavan teknologian kaupallistamiseen.

Perinteiset teknologiat, kuten laserit ja puolijohteet, perustuvat yhä useamman hiukkasen hallintaan. Yksittäisten atomien kohdistettu hallinta avaa kuitenkin uusia mahdollisuuksia kvanttimekaniikan ymmärtämiseen ja käytännön sovelluksiin. Zeiherin mukaan teoreettiset ideat atomien käytöstä laskennassa ovat olleet olemassa jo 1990-luvulta lähtien, mutta vasta viime vuosina saavutettu teknologinen kehitys, erityisesti yksittäisten atomien käsittelyssä, on mahdollistanut niiden toteuttamisen laboratoriossa.

LMU:n ja Nobel-palkitun fyysikon Ted Hänschin työ laserjäähdytyksen parissa 1970-luvulla loi pohjan atomijärjestelmien tutkimukselle. Sittemmin Immanuel Blochin ja hänen tiiminsä kehittämä kvanttikaasumikroskooppi, joka mahdollistaa atomien visualisoinnin, on ollut ratkaiseva askel eteenpäin. Tämä mahdollistaa atomien tarkan hallinnan laskentatehtäviä varten.

Kvanttitietokoneet eroavat merkittävästi klassisista tietokoneista, jotka käyttävät bittejä (0 tai 1). Kvanttitietokoneet hyödyntävät kvanttibittejä eli kubitteja, jotka voivat olla tilassa 0, 1 tai niiden superpositiona. Tämä monimutkaisempi laskentatapa antaa kvanttitietokoneille potentiaalisesti valtavan laskentakyvyn.

Zeiherin tutkimusryhmä hyödyntää atomien sisäisiä tiloja bitteinä ja laserien avulla luo tarvittavat superpositiotilat. Atomien jäähdyttäminen ja optisten pinsettien käyttö on välttämätöntä atomien paikantamisen ja hallinnan varmistamiseksi laskentaprosessin aikana.