Tijdkristallen kunnen een radicaal nieuwe toekomst voor kwantumcomputers openen: ScienceAlert

Het pad naar kwantumsuprematie wordt bemoeilijkt door een fantasierijke uitdaging: hoe til je een wolk op zonder zijn vorm te veranderen?

De mogelijke oplossing lijkt net zo fantasierijk als het probleem. Je kunt de wolk laten dansen terwijl hij reist, op het ritme van een unieke substantie die bekend staat als een tijdkristal.

Krzysztof Gergel en Krzysztof Sasha van de Jagiellonian Universiteit in Polen en Peter Hannaford van de Swinburne University of Technology in Australië suggereren dat een nieuw type ‘tijd’-circuit de taak zou kunnen hebben om de vage toestanden van qubits te behouden terwijl ze door de stormen van de toekomst gaan. kwantumlogica.

In tegenstelling tot beschrijvingen van objecten met duidelijk gedefinieerde posities en bewegingen, beschrijft het kwantumperspectief van hetzelfde deeltje kenmerken zoals zijn positie, momentum en rotatie als een waas van mogelijkheden.

Deze ‘wolk’ van mogelijkheden wordt het best begrepen als deze geïsoleerd is. Zodra een deeltje interactie heeft met zijn omgeving, verandert de spreiding van zijn kansen, zoals de kans dat een hardloper de 100 meter race op de Olympische Spelen wint, totdat we uiteindelijk maar één uitkomst waarnemen.

Net zoals een klassieke computer de binaire toestanden van deeltjes kan gebruiken als ‘aan-uit’-schakelaars in logische poorten, zouden kwantumcomputers theoretisch de voortplanting van onzekerheid in het deeltje kunnen exploiteren om snel hun eigen soort algoritmen op te lossen, waarvan er vele onpraktisch zouden zijn. of zelfs onmogelijk op de ouderwetse manier op te lossen.

De uitdaging is om die kwantumwolk van mogelijkheden – qubits genoemd – zo lang mogelijk bij elkaar te houden. Met elke hobbel, elke elektromagnetische bries, ontstaat er een steeds groter risico op rekenfouten.

Praktische kwantumcomputers hebben honderden, zo niet duizenden qubits nodig om gedurende lange perioden intact te blijven, waardoor een grootschalig systeem een ​​enorme uitdaging wordt.

Onderzoekers hebben op verschillende manieren gezocht om quantum computing krachtiger te maken, door individuele qubits te vergrendelen om ze te beschermen tegen verlies aan samenhang, of door vangnetten eromheen te bouwen.

Natuurkundigen Gergel, Sascha en Hannaford hebben nu een nieuwe aanpak beschreven die kwantumcomputers verandert in een qubit-symfonie, geleid door de toverstok van een heel vreemd soort dirigent.

Tijdkristallen zijn materialen die in de loop van de tijd in zich herhalende patronen transformeren. Deze “tikkende” systemen werden meer dan tien jaar geleden getheoretiseerd, en sindsdien zijn versies ervan ontwikkeld met behulp van de zachte druk van een laser en extreem koude clusters van atomen, waarbij uitbarstingen van licht deeltjes in periodieke fluctuaties sturen die de lasertiming tarten.

Op papier Het trio natuurkundigen, beschikbaar op de arXiv preview-server, stelt voor om de unieke periodiciteit van het tijdkristal te gebruiken als basis voor een nieuw type ‘tijdelektronica’-circuit. Deze periodiciteit wordt gebruikt om microgolven naar grote aantallen met informatie beladen qubits te sturen, en kan helpen de toevallige botsingen die verantwoordelijk zijn voor veel fouten te verminderen.

Een dergelijk temporeel circuit van voortdurend ronddrijvende qubits zou het gemakkelijker maken om vrijwel elk computerdeeltje een ander pad te sturen, waardoor hun kwantumpotentieel op nuttige manieren zou worden verstrikt in plaats van op fouten.

Hoewel het voorstel nog steeds puur theoretisch is, heeft het team aangetoond hoe de fysica van clusters van kaliumionen, afgekoeld tot bijna absolute temperaturen en aangestuurd door een laserpuls, een ‘orkest’ kan bieden voor qubits om te walsen.

Het vertalen van het idee naar een praktische, volledige kwantumcomputer zal jaren van innovatie en experimenteren vergen, als het idee überhaupt slaagt.

Nu we echter weten dat er op zijn minst enkele soorten tijdkristallen bestaan ​​die voor praktische doeleinden kunnen worden gebruikt, is de uitdaging van het dragen van een wolk misschien toch niet alleen maar een fantasievolle onderneming.

Dit onderzoek is beschikbaar op de preview-server arXiv.