Hitta en välvillig partikel
En kvantdator fungerar med kvantfysiska fenomen. Ska man bygga en kvantdator måste man först hitta något som lyder under kvantfysikens lagar, som man dessutom kan lagra och studera. Det brukar vara en elementarpartikel av något slag. En sorts partikel kan vara fotoner, ljuspartiklar. De är lätta att få tag i, men kan tyvärr inte lagras, utan far iväg med ljusets hastighet och måste mätas innan de försvinner och blir till slumpmässig värme.
Nu visar det sig att en bra partikel att studera är en mikrovågsfoton, för den kan lagras i en svängningskrets, som vilken radiovåg som helst. Den dämpas ut och försvinner efter ett tag, men innan den har försvunnit kan man studera den och försöka påverka den och se hur den beter sig.
En foton är en partikel och är samtidigt elektromagnetisk strålning. Du vet säkert att ljuspartiklarna har både partikel- och vågegenskaper, enligt vågpartikelteorin. En foton är den minsta mängden energi som kan överföras i ett fält, som till exempel en ljusstråle eller en radiovåg. Det rör sig inte om särskilt mycket energi, men man kan detektera enskilda fotoner. Det gör man med enfotondetekorer när man arbetar med kvantkrypto, eller med supraledande tunnfilmsdetektorer i fallet med supraledande enfotonteleskop (se referenserna).
I det första fallet som ska diskuteras, håller man kvar en mikrovågsfoton på mellan 6-7 gigahertz i en svängningskrets och kallar den för kvantbit (qubit). Den kan detekteras, men man gör det med en mycket speciell ”radiomottagare” som klarar mycket svag strålning.
Nivån räknas i decibelmilliwatt (dBm) och signalnivåerna i kvantbiten ligger kring –140 dBm, som översatt till spänning är ungefär några pikovolt över 50 Ohm. Som jämförelse kan man nämna att en mobiltelefon hör en basstation, som också skickar ut en ström av mikrovågsfotoner, bra när insignalen till mottagaren ligger mellan –30 och –60 dBm, men hör ingen radiovåg under –100 dBm. Här dyker vi alltså 10 000 gånger längre ned i nivå.
Mikrovågor, ljus och annan elektromagnetisk strålning består av fotoner, som är både vågor och partiklar. För att svängningskretsen ska kunna fungera som kvantbit får den bara innehålla en enda foton. En klassisk, harmonisk svängningskrets kan innehålla många fotoner, men om man istället för spole använder en supraledande josephsonövergång (JÖ) får man en kvantiserad krets som bara innehåller en foton = en partikel = en artificiell atom. Denna enda foton kan därför utsättas för kvantfysiska experiment.
När man zoomar in lite närmare på själva kvantbiten hittar man en kiselbit om cirka 5x5 millimeter. Det gyllene runt omkring är hållaren i form av en bit kretskort monterat i den metallmodul som visades i början av artikeln.
Mikrovågorna och styrsignalerna kommer in till kretsen på tunna guldtrådar som svetsats mellan kretskortet och kretsen, en sk mikrostriplinekrets. Kretsen är täckt med en guldhinna (brun) som fungerar som jordplan och skärm, eftersom det rör sig om spänningar på pikovoltnivå, som är mycket störkänsliga.
Den aktiva delen är det ljusrosa fältet, som rymmer både en resonanskrets, alltså själva kvantbiten, och kringkretsar i form av ett antal riktkopplare som gör att man kan både koppla in och koppla ut signalen ur kretsen, för att mäta på den. Allting sker under den lite mörkare striplinen som är matarledare till resonanskretsen, som kan ses som mittledaren i en utplattad koaxialkabel, som ligger isolerad från det omgivande rosa jordplanet.
Låt oss zooma ännu närmare och titta på ett tvärsnitt genom striplinen. Resonanskretsen, som tidigare så flott visades bestå av en kondensator och en josephsonövergång, ser i praktiken ut som ett antal metallager i mikrometerstorlek.
Bara genom att resonanskretsen ligger intill stripline-ledaren, kopplas tillräckligt med signal kapacitivt (kopplingskapacitans) över till de två stripparna som utgör kapacitansen i resonanskretsen. De är hopkopplade med den olinjära induktansen, josephsonövergången. När aluminiumet kyls till 1,2 kelvin blir det supraledande, medan aluminiumoxiden fortsätter att vara en isolator.
Det är övergången supraledare-isolator-supraledare som fungerar som en olinjär induktans, eftersom strömmen tunnlar över det isolerande gapet. I det här fallet används en dubbel josephson för att man ska kunna stämma om resonanskretsen, som arbetar kring 7 GHz, med hjälp av ett yttre magnetfält (styrsignalen). Samma metod används vid styrningen av mera komplicerade kvantuppställningar.
Just den här kretsen används inte för beräkningar utan för mätningar av kvantbitens egenskaper, i avsikt att försöka förstå den. Skickar man in en puls V(in) kommer den antingen att reflekteras (R) eller transitera förbi kvantbiten (som pulsen V(t)), beroende på bitens kvanttillstånd. Man vill försöka mäta reflekterad eller transiterad mikrovågsspänning.
