Quantum computing with naturally trapped sub-nanometre-spaced ions

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Kvantdatorer har den unika egenskapen att de kan utföra samma beräkning för många olika startvärden samtidigt. Informationen i en vanlig dator är lagrad i ett minne som består av bitar, som kan ha värdena 1 eller 0. När ett program körs beror slutresultatet av startvärdena hos dessa bitar. Minnet i en kvantdator lagrar istället kvantbitar, som även de kan ha värdena 1 eller 0. Men kvantbitarna kan även befinna sig i ett ``kanske-tillstånd'', en så kallad superposition, där de kanske har värdet 0 och kanske 1. Om några av kvantbitarna i ett kvantdatorminne från början sätts i ett "kanske-tillstånd", utförs alla beräkningar, vilka motsvarar de olika möjliga kombinationerna av "kanske-bitarna", samtidigt när programmet körs. När man sedan ser på resultatet av programmet får man slumpvis ett av de möjliga svaren, vilket kan tyckas vara ineffektivt. Det visar sig, emellertid, att vissa problem som tar orimligt lång tid att beräkna med en vanlig dator, kan lösas effektivt av en kvantdator med specialskrivna program. I detta arbetet har jag jobbat med kvantbitar, som är baserade på joner som hör till gruppen sällsynta jordartsmetaller. Jonerna sitter mycket nära varandra i genomskinliga kristaller. Dessa joner har den ovanliga egenskapen att kunna komma ihåg "kanske-tillståndet" för en kvantbit länge, trots att "kanske-tillstånd" normal sett är mycket kortlivade. Programmen i våra kvantdatorer består av pulser av laserljus, med vilka vi belyser jonerna. Olika joner påverkas av olika frekvenser hos laserljuset, på liknande sätt som en radiomottagare inställd på en kanal bara tar emot den kanalen. Genom att byta frekvens på ljuset kan olika grupper av joner påverkas separat. I arbetet, som denna avhandling beskiver, har en teknik utvecklats för att med hjälp av ljuspulser plocka bort alla joner inom ett frekvensintervall och sedan lyfta tillbaka joner med bara en välbestämmd frekvens, som skall utgöra en kvantbit i vår kvantdator. Denna kvantbit skiftas sedan mellan värde 1 och 0 upprepade gånger, en så kallad en-bitars grind. Om man upprepar denna procedur för två olika frekvensintervaller, så kan man skapa två kvantbitar. För att kunna skapa kvantgrindar med två bitar, så måste en kvantbit kunna påverka en annan. I vårt fall kan en jon, som tillhör en av kvantbitarna, ändra vilken ljusfrekvens som en annan jon annars skulle ha påverkats av. ändringen kan liknas vid att radions kanalinställning ändras lite, varvid man inte längre kan ta emot radiokanalen. I detta arbete har vi visat detta fenomen. Det är endast de joner som råkar sitta nära varandra, som har tillräckligt stor påverkan för att kunna användas som kvantbitar. Vi har experimentellt visat hur endast de joner, som påverkas mycket, kan väljas ut. Ovanstående kvantdatorschema fungerar för två kvantbitar, men skall man ha fler kvantbitar blir det för få joner kvar i ett närliggande område som alla påverkar varandra, för att man skall kunna detektera dem. En metod som gör det möjligt att ha fler kvantbitar beskrivs i denna avhandling. I denna metod har man endast en jon per kvantbit och utläsningen sker med hjälp av en speciell utläsningsjon, som har dåliga kvantbitsegenskaper, men är lätt att detektera. Frekvensen och fasen på de laserpulser som används, till att manipulera jonerna, måste vara mycket stabil. Jag beskriver därför, hur vi har stabiliserat en laser genom att jämföra dess frekvens med frekvensen hos samma typ av joner, som kvantbitarna består av, och sedan korrigera frekvensfelen.