Iedereen die heeft geprobeerd een groep toeristen door een drukke stad te leiden, kent het probleem. Hoe houd je de groep bij elkaar als ze constant worden geduwd, opgehouden en afgeleid door het geroezemoes om hen heen?

Het is een probleem dat de ontwerpers van kwantumcomputers moeten aanpakken. In sommige toekomstige kwantumcomputers, informatie zal worden gecodeerd in de delicate kwantumtoestanden van groepen deeltjes. Deze worden geconfronteerd met gedrang door lawaai en wanorde in de materialen van de processor. Nutsvoorzieningen, een internationaal team heeft een schema voorgesteld dat zou kunnen helpen groepen deeltjes te beschermen en hen in staat te stellen samen te bewegen zonder te verdwalen of opgehouden te worden.

Het voorstel, gepubliceerd op 17 november in Fysieke beoordelingsbrieven , komt van onderzoekers van de National University of Singapore (NUS), Technische Universiteit van Kreta, Universiteit van Oxford en Google. Hun paper stelt een schema voor dat op betrouwbare wijze kwantumtoestanden van een paar fotonen langs een lijn van miniatuur kwantumcircuits kan transporteren. Simulaties tonen aan dat het een toestand van drie fotonen efficiënt van de ene circuitlocatie naar de andere moet verplaatsen over tientallen locaties:de deeltjes springen overal samen en verschijnen uiteindelijk ongestoord aan het andere uiteinde, zonder spreiding.

Het schema is gebaseerd op de ideeën van natuurkundige David J. Thouless, die in 2016 de helft van de Nobelprijs voor natuurkunde won voor zijn werk aan topologische effecten in materialen. Topologische effecten hebben te maken met geometrie, en het gebruik ervan in kwantumcomputing kan helpen bij het beschermen van kwetsbare kwantumtoestanden tijdens verwerking.

Een van de belangrijkste bijdragen van Thouless was de uitvinding van 'topologisch pompen'. Dit werkt ongeveer als de schroefpomp van Archimedes voor water. De schroef van de oude Grieken draait rond, maar het water erin stroomt in een rechte lijn een heuvel op. "Ook al is de beweging van de machine cyclisch, de beweging van de deeltjes is niet, ze bewegen in een lijn, " legt Jirawat Tangpanitanon uit, eerste auteur op het papier en een promovendus in de groep van Dimitris Angelakis bij het Center for Quantum Technologies (CQT) bij NUS.

In het kwantumschema, de schroefdraad is geen fysieke structuur maar een oscillerend extern veld dat aan de deeltjes wordt opgelegd door elektronische controle over het apparaat dat ze bevat.

Angelakis begon zijn groep met het onderzoeken van topologisch pompen nadat anderen in 2015 het effect hadden aangetoond voor individuele, niet-interactie, deeltjes. Angelakis, Tangpanitanon en Research Fellow Victor Bastidas wilden weten of het mogelijk zou zijn om groepen deeltjes ook coherent te verplaatsen.

Het antwoord is ja. Bovendien, in tegenstelling tot de pomp van Archimedes, die water maar op één manier kan verplaatsen, de kwantumdeeltjes kunnen zelfs achteruit worden gestuurd door de beginvoorwaarden te veranderen. "Het is als een moonwalk, " grapt Tangpanitanon. Het lijkt erop dat alles vooruit moet gaan, maar in plaats daarvan gaan de deeltjes achteruit vanwege kwantumeffecten.

Co-auteur Pedram Roushan - onderdeel van de Google-groep in Santa Barbara, Californië bouwt supergeleidende circuits voor kwantumcomputing - en het team hoopt het idee geïmplementeerd te zien in vergelijkbare hardware. "Dit document is bijna een blauwdruk. We hebben het voorstel ontwikkeld om te matchen met bestaande apparaten, " zegt Angelakis, die een hoofdonderzoeker is bij CQT en een faculteitslid aan de Technische Universiteit van Kreta.