Natuurkundigen ontwikkelen kwantumsimulators, om problemen op te lossen die buiten het bereik van conventionele computers liggen. Echter, ze hebben eerst nieuwe tools nodig om de simulatoren goed te laten werken. Innsbruck-onderzoekers rond Rainer Blatt en Christian Roos, samen met onderzoekers van de universiteiten van Ulm en Strathclyde, hebben nu een nieuwe techniek in het laboratorium geïmplementeerd die kan worden gebruikt om de complexe toestanden van kwantumsimulators efficiënt te karakteriseren. De techniek, genaamd matrix product staat tomografie, zou een nieuwe standaardtool kunnen worden voor het karakteriseren van kwantumsimulatoren.

Veel fenomenen in de kwantumwereld kunnen niet direct in het laboratorium worden onderzocht, en zelfs supercomputers mislukken wanneer ze proberen te simuleren. Echter, wetenschappers zijn nu in staat om verschillende kwantumsystemen in het laboratorium heel precies aan te sturen en met deze systemen kunnen andere kwantumsystemen worden gesimuleerd. Dergelijke Quantum Simulators worden dan ook beschouwd als een van de eerste concrete toepassingen van de tweede kwantumrevolutie.

Echter, de karakterisering van grote kwantumtoestanden, die nodig is om de ontwikkeling van grootschalige kwantumsimulatoren te begeleiden, blijkt moeilijk te zijn. De huidige gouden standaard voor kwantumtoestandkarakterisering in het laboratorium - kwantumtoestandtomografie - is alleen geschikt voor kleine kwantumsystemen die uit een handvol kwantumdeeltjes bestaan. Onderzoekers van het Institute of Experimental Physics van de Universiteit van Innsbruck en het Institute for Quantum Optics and Quantum Information van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen hebben nu een nieuwe methode in het laboratorium ontwikkeld die kan worden gebruikt om grote kwantumtoestanden efficiënt te karakteriseren.

Een gezamenlijke inspanning

In ionenvallen, geladen atomen (ionen) worden afgekoeld tot temperaturen rond het absolute nulpunt en gemanipuleerd met behulp van lasers. Dergelijke systemen vertegenwoordigen een veelbelovende benadering voor het uitvoeren van kwantumsimulaties die verder kunnen gaan dan de mogelijkheden van moderne supercomputers. De kwantumfysici van Innsbruck behoren tot de wereldleiders op dit gebied en kunnen momenteel 20 of meer ionen in hun vallen verstrikken. Om dergelijke grote kwantumsystemen volledig te karakteriseren, ze hebben nieuwe methoden nodig. Voor deze, theoretici rond Martin Plenio van de Universiteit van Ulm, Duitsland, kwamen hen te hulp. In 2010, het Plenio-team stelde een nieuwe methode voor voor de karakterisering van complexe kwantumtoestanden, matrix-product-state tomografie genaamd. Met behulp van deze methode, de toestand van een groep verstrengelde kwantumdeeltjes kan nauwkeurig worden geschat zonder dat de inspanning dramatisch toeneemt naarmate het aantal deeltjes in de groep toeneemt. In samenwerking met de teams rond Martin Plenio uit Ulm en Andrew Daley van de Universiteit van Strathclyde in Schotland, de experimentele natuurkundigen van Innsbruck rond Christian Roos, Ben Lanyon en Christine Maier hebben deze procedure nu geïmplementeerd in het laboratorium.

Efficiëntere metingen

Als testcase is de natuurkundigen bouwden een kwantumsimulator met maximaal 14 kwantumbits (atomen), dat eerst werd voorbereid in een eenvoudige begintoestand zonder kwantumcorrelaties. Volgende, de onderzoekers verstrengelden de atomen met laserlicht en observeerden de dynamische voortplanting van verstrengeling in het systeem. “Met de nieuwe methode we kunnen de kwantumtoestand van het hele systeem bepalen door slechts een klein deel van de systeemeigenschappen te meten, ", zegt START-prijswinnaar Ben Lanyon. De theoretici rond Martin Plenio haalden de karakterisering van de globale kwantumtoestand uit de gemeten data:"De methode is gebaseerd op het feit dat we lokaal verspreide verstrengeling theoretisch goed kunnen beschrijven en nu ook kunnen meten in het laboratorium."

Toen de werkgroep van Rainer Blatt in 2005 de eerste kwantumbyte realiseerde, meer dan 6, 000 metingen waren nodig voor de karakterisering van de kwantumtoestand, genomen over een periode van tien uur. De nieuwe methode vereist slechts 27 metingen om hetzelfde maatsysteem te karakteriseren, ongeveer 10 minuten in beslag genomen. "We hebben kunnen laten zien dat deze methode kan worden gebruikt om grote en complexe kwantumtoestanden efficiënt te identificeren, " zegt Christine Maier, een teamlid uit Innsbruck. Nu willen de wetenschappers de algoritmen verder ontwikkelen, zodat ze ook flexibel kunnen worden gebruikt door andere onderzoeksgroepen.

Nieuwe gouden standaard

De nieuwe methode maakt de volledige karakterisering van systemen met grote aantallen gecorreleerde kwantumdeeltjes mogelijk en biedt dus een vergelijkingsoptie voor kwantumsimulaties. "We kunnen de nieuwe techniek gebruiken om kwantumsimulatoren te kalibreren, door de toestanden die we in het lab aantreffen te vergelijken met de toestanden die verwacht worden van analytische berekeningen, ", legt Christian Roos uit. "Dan weten we of de simulator doet wat we willen." De nieuwe methode biedt artsen een hulpmiddel voor veel toepassingen en zou een nieuwe standaard kunnen worden voor kwantumsimulaties.