在构建量子计算机时，需要考虑错误 - 在这两个词的意义上。量子比特或“量子比特”可以同时采用逻辑值0和1，从而更快地进行计算，极易受到扰动的影响。对此可能的补救措施是量子纠错，这意味着每个量子位在多个副本中被“冗余地”表示，这样可以检测并最终纠正错误而不会干扰量子位本身的脆弱量子状态。从技术上讲，这非常苛刻。然而，几年前出现了另一种建议，即信息不存储在几个冗余量子位中，而是存储在单个量子谐振子的许多振荡状态中。Jonathan Home的研究小组，苏黎世联邦理工学院量子电子学院的教授现在已经实现了这样一个用振荡器编码的量子比特。他们的研究结果发表在科学期刊上自然。
周期性振荡状态
在Home的实验室里，博士生ChristaFlühmann和她的同事使用被电场捕获的带电荷的钙原子。使用适当选择的激光束，这些离子被冷却到非常低的温度，在这些温度下，它们在电场中的振荡(离子像碗中的大理石一样来回晃动)被量子力学描述为所谓的波函数。“在这一点上，事情变得令人兴奋，”自然论文的第一作者弗鲁曼说。“我们现在可以操纵离子的振荡状态，使得它们的位置和动量不确定性分布在许多周期性排列的状态中。”
在这里，“不确定性”是指Werner Heisenberg的着名公式，其中指出在量子物理学中，粒子的位置和速度(更确切地说：动量)的测量不确定性的乘积永远不会低于明确定义的最小值。例如，如果一个人想操纵粒子以便很好地了解它的位置 - 物理学家称之为“挤压” - 一个人自动使其动量不那么确定。
减少不确定性
如果目标是进行精确测量，以这种方式压缩量子态本身仅具有有限的价值。然而，有一个聪明的出路：如果在挤压之上，一个准备振荡状态，其中粒子的波函数分布在许多周期性间隔的位置上，每个位置和相应动量的测量不确定性可以更小比海森堡允许的。波函数的这种空间分布 - 粒子可以同时在几个地方，只有一个测量决定一个人实际发现它的位置 - 让人想起欧文施罗丁格的着名的猫，它同时死亡和活着。
这种强烈降低的测量不确定性还意味着波函数的微小变化，例如通过一些外部干扰，可以非常精确地确定并且 - 至少在原则上 - 被校正。“我们对离子的周期性或梳状振荡状态的实现是朝着这种错误检测迈出的重要一步，”Flühmann解释说。“此外，我们可以准备离子的任意状态并对其执行所有可能的逻辑运算。所有这些对于构建量子计算机都是必要的。在下一步中，我们希望将其与错误检测和纠错相结合。”
量子传感器的应用
Flühmann承认，在途中必须克服一些实验障碍。钙离子首先需要通过电力耦合到另一个离子，从而可以在不破坏振荡状态的情况下读出振荡状态。尽管如此，即使在目前的形式下，ETH研究人员的方法对应用也非常感兴趣，Flühmann解释说：“由于它们对干扰的极端敏感性，这些振荡状态是非常精确地测量微小电场或其他物理量的一个很好的工具。 “。