Simuleringar av mångpartikelsystem på en emulerad kvantdator

Adel Hasic, Gustaf Sjösten, Carl Andersson +1 more

Erik Sjöqvist

Vad ar en kvantdator for nagot och vad ar den bra for? I den har artikeln forklarar jag de grundlaggande principerna hur en kvantdator fungerar, vad den kan anvandas till, hur den kan komma att se ...

Klaus Mølmer

Altay Dikme, Nicolas Reichel

Kvantmekanikens giltighet har varit ett stort diskussionsämne under det senaste århundradet. Einstein, Podolsky och Rosen försökte visa ofullständigheten hos kvantmekanik, där deras huvudsakliga kritik hängde på den inneboende icke-lokaliteten hos kvantmekaniska fenomen. Så kallade dolda variabel-teorem föreslogs som en mer grundläggande beskrivning av verkligheten. Bell och Kochen-Specker teoremerna utvecklades senare och placerade begränsningar på arten av sådana dolda-variabla teorier. Kochen-Specker teoremet säger att ingen icke-kontextuell dold variabel-teori kan reproducera kvantmekanikens förutsägelser. I den här rapporten är ett experimentellt bevis av Kochen-Specker teoremet i ett Hilbert rum av dimension 4, känd som Mermin-Peres Magiska Kvadrat, implementerad på IBMs offentligt tillgängliga kvantdator med fem kvantbitar. Det visas att de erhållna resultaten inte kan förklaras av en modell som ansätter förutbestämda mätvärden, det vill säga en modell som antar realism.

Jenny Karlsson

This master's thesis explores the possibility to use a plasmonic antenna to scale a quantum computer based on rare-earth-ion-doped crystals to a large number of qubits.To obtain a fully scalable rare-earth-ion quantum computer it is necessary to create entanglement between spatially remote qubits.This can be done using a photon pair with entangled polarization states.One single photon must act as a pi-pulse for an ion in a crystal.To enhance the interaction between the photon and the ion a toroidal microresonator in combination with an optical antenna is proposed.The microresonator can enhance the interaction time between the photon and the ion and the optical antenna can focus the evanescent eld down to a sub-wavelength spot.This report gives basic theory of quantum computing and plasmonics.The idea of how to entangle remote ions using a plasmonic antenna is presented.An optical bowtie antenna is designed and simulated using COMSOL Multiphysics R .The method is evaluated by comparison to a theoretical model for a simple case.Simulations show that the designed antenna can enhance an evanescent eld more than 1000 times at the surface of a crystal.The enhancement is enough to make a single photon act as a pi-pulse for an ion sitting at the surface.Diculties with this approach to a scalable rare-earth-ion quantum computer are discussed and further investigations are suggested. SammanfattningDetta examensarbete utforskar möjligheten att använda en plasmonisk antenn för att skala upp en kvantdator baserad på kristaller dopade med joner av sällsynta jordartsmetaller till ett stort antal kvantbitar.För att skapa en fullt skalbar kvantdator baserad på jordartsjoner är det nödvändigt att sammanäta kvanttillstånden hos rumsligt separerade kvantbitar.Detta är möjligt genom att använda ett fotonpar med sammanätade polarisationstillstånd.En enda foton måste motsvara en pi-puls for en jon som sitter i en kristall.Enligt förslaget som presenteras i rapporten kan en toroid-formad mikroresonator i kombination med en optisk antenn användas för att förstärka interaktionen mellan en foton och en jon.Mikroresonatorn kan förlänga interaktionstiden mellan fotonen och jonen och den optiska antennen kan fokusera det evanescenta fältet till en punkt mindre än ljusets våglängd.I rapporten ges grundläggande teori för kvantdatorer och plasmonik.Idén för att sammanäta separerade joner presenteras.En optisk antenn utformas och simuleras i COMSOL Multiphysics R .Metoden utvärderas genom en jämförelse med en teoretisk beräkning för ett enkelt fall.Simuleringarna visar att den utformade antennen kan förstärka ett evanescent fält mer än 1000 gånger på ytan av en kristall.Förstärkningen är tillräcklig för att skapa en pi-puls från en enda foton för en jon som sitter på ytan av kristallen.Svårigheter med det beskrivna angreppssättet för att skala en kvantdator baserad på jordartsjoner diskuteras och ytterligare undersökningar föreslås.

Magnus Ögren