Quantum simulation and communication with giant atoms
- Reference number
- FFL21-0279
- Project leader
- Frisk Kockum, Anton
- Start and end dates
- 220801-271231
- Amount granted
- 15 000 000 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
I will develop important quantum-technology applications of a new subfield in quantum optics: giant atoms. When light and matter interact, atoms are usually assumed to be much smaller than the wavelength of the light. This standard approximation breaks down in experiments with superconducting artificial atoms (qubits) coupled at multiple points, wavelengths apart, to microwave waveguides. This yields interference effects that protect the “giant” atoms from losing energy into the waveguide but still enable them to exchange quantum information through it. The protected interaction can be tuned in situ by controlling qubit frequencies. I will use this tunability in efficient protocols for simulation of open quantum systems: the giant atoms will emulate a quantum system (e.g., a molecule) and the waveguide its environment. Such simulations are hard for both classical and quantum computers; my simulation methods could enable new discoveries in physics, chemistry, and biology. I will also use giant atoms for quantum communication. Their protected interaction enables creating entangled states for release into the waveguide and distribution. Distribution of quantum information between distant quantum systems is essential for scaling up quantum computers. I will hire 1 PhD student and 3 postdocs to create these new methods for quantum simulation and communication. I will use existing collaborations with experimental and theoretical groups to implement and refine the methods.
Popular science description
Att förstå egenskaper hos olika typer av stora molekyler som DNA och enzymer är mycket viktigt för att kunna utveckla nya och bättre mediciner eller kemiska processer. Många sådana egenskaper är dock svåra att beräkna eftersom molekylernas uppbyggnad styrs av kvantfysikens lagar, som tillåter molekylernas tillstånd att vara en summa av flera olika konfigurationer. Inte ens de största superdatorerna idag klarar av att söka igenom de astronomiskt många kombinationer av konfigurationer som är möjliga för stora molekyler. En ytterligare komplikation är att molekylernas egenskaper också kan påverkas av deras växelverkan med sin omgivning (t.ex. vatten eller andra molekyler). Att ta med denna effekt i beräkningarna leder till ännu större utmaningar. På senare tid har forskare försökt komma runt dessa svårigheter genom att låta konstgjorda kvantfysikaliska system simulera andra dito. De konstgjorda systemen är uppbyggda av små elektriska kretsar som kyls ned till temperaturer nära nollpunkten och kan kontrolleras för att efterlikna förhållanden i molekyler. Ett stort problem är dock att denna kontroll kräver att det konstgjorda systemet isoleras från sin omgivning, vilket gör att molekylers växelverkan med sin omgivning inte kan simuleras på ett bra sätt. I det här projektet kommer vi utveckla metoder för att simulera kvantfysikaliska system i kontakt med en omgivning. Metoden bygger på en ny uppställning ("stora atomer") för de elektriska kretsarna som utnyttjar interferens för att slå av och på deras koppling till sin omgivning. När kopplingen är av kan man utföra de nödvändiga operationerna för att efterlikna kvanttillstånd hos molekyler. Man kan sedan välja hur länge kopplingen slås på för att efterlikna olika styrka på molekylernas växelverkan med sin omgivning. En ytterligare del i projektet är att använda den nya uppställningen inte bara för simulering, utan också för kommunikation av kvanttillstånd. Tanken är att först slå av kopplingen till omgivningen för att förbereda kvanttillståndet som ska skickas och sedan slå på kopplingen för att skicka iväg det. Detta kan vara användbart för att bygga stora kvantdatorer, som kan utnyttja kvantfysikens lagar för att göra vissa typer av beräkningar mycket snabbare än vanliga superdatorer.