Cerium as a quantum state probe for rare-earth qubits in a crystal

Abstract: Popular Abstract in Swedish En indikator-jon för en kvantdator Ända sedan transistorn uppfanns 1948 har datorer blivit allt mer kraftfulla. Trots den enorma utveckling som skett finns det fortfarande problem som är för svåra för en dator att lösa. Ett exempel är simulering av stora molekyler, t.ex. proteiner, vilket skulle vara användbart inom medicin och biologi, bland annat för att förutsäga hur kroppen reagerar på en viss medicin. Molekyler är så små att kvantmekanikens lagar måste användas för att beräkna vad som händer med dem, men så stora att antalet parametrar som behöver beräknas är för stort för dagens datorer. Simuleringar av stora kvantsystem är en uppgift en så kallad kvantdator skulle kunna göra mycket lättare än en vanlig dator. En kvantdator fungerar på liknande sätt som en vanlig dator, men dess minsta enheter är enkla kvantsystem, som t.ex. atomer. Två energitillstånd i en atom kan användas för att representera en 1:a respektive en 0:a. Atomens två tillstånd utgör den minsta informationsenheten i en kvantdator, en så kallad kvantbit. Eftersom själva kvantdatorn är uppbyggd av kvantbitar som följer kvantmekanikens lagar, blir simuleringar av andra kvantsystem mycket mindre krävande. Många olika typer av hårdvara för kvantdatorer har testats världen över, men hittills har bara ett fåtal kvantbitar kunnat skapas och kopplas ihop, och de flesta kvantdatorerna kräver stora laboratorium fyllda med utrustning. Den här avhandlingen handlar om en viss typ av hårdvara, bestående av joner av jordartsmetaller, som sitter inuti en kristall. Kristallen kyls ner till -270 grader i flytande helium för att få jonerna att sitta alldeles stilla och en laser används för att koda 1:or och 0:or i enskilda joners kvant-tillstånd. För att kunna använda en kvantdator måste vi kunna läsa ut om kvantbitarna är kodade som en 1:a eller en 0:a. Eftersom en enda jon används för att koda varje kvantbit är det svårt att läsa ut vilket tillstånd kvantbiten är i. Därför vill vi koppla kvantbitarna till en annan typ av joner, av ämnet cerium. Då man lyser på cerium-jonerna med en ultraviolett laser börjar de lysa i blått. Cerium-jonerna kan lysa mycket starkare än de joner vi använder som kvantbitar, så starkt att man kan mäta ljuset som kommer från en enda jon. Cerium-jonen kan då användas som en indikator, som lyser om en viss kvantbit är kodad som en 1:a, men är släckt om den är kodad som en 0:a. Målet med projektet som ligger till grund för den här avhandlingen har varit att undersöka om det är möjligt att använda cerium som en tillstånds-indikator för en kvantdator. Resultaten visar att kopplingen mellan en cerium-jon och en kvantbit är stark nog för att cerium-jonen ska kunna tändas och släckas beroende på tillståndet hos kvantbiten. I avhandlingen visas också att det finns andra typer av kopplingar mellan cerium-jonerna och kvantbitarna som kan förstöra utläsningen av information. Det kan undvikas genom att använda kvantbitar som sitter på precis rätt avstånd från cerium-jonen. För att kunna se ljus från en enda cerium-jon inuti en kristall har ett mikroskop utvecklats och testats. Än så länge har försöken att se ljus från en enda cerium-jon inte lyckats. Med vissa förbättringar av mikroskopet finns goda möjligheter att det lyckas inom en snar framtid.