Wetenschappers van de Universiteit van Sydney hebben aangetoond dat ze de toekomst van kwantumsystemen kunnen 'zien'. en gebruikte die kennis om hun ondergang te voorkomen, in een grote prestatie die zou kunnen helpen de vreemde en krachtige wereld van de kwantumtechnologie dichter bij de realiteit te brengen.

De toepassingen van op kwantum gebaseerde technologieën zijn overtuigend en laten nu al aanzienlijke effecten zien, vooral op het gebied van detectie en metrologie. En het potentieel om uitzonderlijk krachtige kwantumcomputers te bouwen met behulp van kwantumbits, of qubits, stimuleert investeringen van 's werelds grootste bedrijven.

Een belangrijk obstakel voor het bouwen van betrouwbare kwantumtechnologieën is echter de randomisatie van kwantumsystemen door hun omgeving, of decoherentie, die effectief het bruikbare kwantumkarakter vernietigt.

De natuurkundigen hebben een technische kwantumsprong gemaakt om dit aan te pakken, technieken uit big data gebruiken om te voorspellen hoe kwantumsystemen zullen veranderen en vervolgens te voorkomen dat het systeem uitvalt.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Net zoals de afzonderlijke componenten in mobiele telefoons uiteindelijk zullen falen, zo ook kwantumsystemen, " zei hoofdauteur van de krant, professor Michael J. Biercuk.

"Maar in de kwantumtechnologie wordt de levensduur over het algemeen gemeten in fracties van een seconde, in plaats van jaren."

Professor Biercuk, van de School of Physics van de University of Sydney en hoofdonderzoeker van het Centre for Engineered Quantum Systems van de Australian Research Council, zei dat zijn groep had aangetoond dat het mogelijk was om decoherentie op een preventieve manier te onderdrukken. De sleutel was om een ​​techniek te ontwikkelen om te voorspellen hoe het systeem zou desintegreren.

Professor Biercuk benadrukte de uitdagingen van het maken van voorspellingen in een kwantumwereld:"Mensen gebruiken routinematig voorspellende technieken in onze dagelijkse ervaring; bijvoorbeeld, als we tennissen, voorspellen we waar de bal zal eindigen op basis van observaties van de bal in de lucht, " hij zei.

"Dit werkt omdat de regels die bepalen hoe de bal zal bewegen, zoals zwaartekracht, zijn regelmatig en bekend. Maar wat als de regels willekeurig zouden veranderen terwijl de bal op weg was naar jou? In dat geval is het bijna onmogelijk om het toekomstige gedrag van die bal te voorspellen.

"En toch is deze situatie precies waar we mee te maken hadden, omdat de desintegratie van kwantumsystemen willekeurig is. Bovendien, in het kwantumrijk verwijdert observatie de kwantumheid, dus ons team moest kunnen raden hoe en wanneer het systeem willekeurig zou breken.

"We moesten in feite geblinddoekt naar de willekeurig bewegende tennisbal zwaaien."

Het team wendde zich tot machine learning voor hulp om te voorkomen dat hun kwantumsystemen - qubits gerealiseerd in opgesloten atomen - breken.

Wat op willekeurig gedrag zou kunnen lijken, bevatte eigenlijk genoeg informatie voor een computerprogramma om te raden hoe het systeem in de toekomst zou veranderen. Het zou dan de toekomst kunnen voorspellen zonder directe observatie, die anders de nuttige kenmerken van het systeem zouden wissen.

De voorspellingen waren opmerkelijk nauwkeurig, waardoor het team hun gissingen preventief kan gebruiken om de verwachte veranderingen te compenseren.

Door dit in realtime te doen, kon het team de desintegratie van het kwantumkarakter voorkomen, verlenging van de gebruiksduur van de qubits.

"We weten dat het bouwen van echte kwantumtechnologieën grote vooruitgang zal vereisen in ons vermogen om qubits te controleren en te stabiliseren - om ze bruikbaar te maken in toepassingen, ' zei professor Biercuk.

Onze technieken zijn van toepassing op elke qubit, ingebouwd in elke technologie, inclusief de speciale supergeleidende circuits die door grote bedrijven worden gebruikt.

"We zijn verheugd om nieuwe mogelijkheden te ontwikkelen die kwantumsystemen van nieuwigheden in bruikbare technologieën veranderen. De kwantumtoekomst ziet er steeds beter uit, ' zei professor Biercuk.