Natuurkundigen hebben een "kwantum stopwatch" ontwikkeld - een methode die tijd opslaat (in de vorm van toestanden van kwantumklokken) in een kwantumgeheugen. Daarbij, de methode vermijdt de opeenstapeling van fouten die gewoonlijk optreden bij het meten van de duur van een reeks gebeurtenissen. Op deze manier, de kwantumstopwatch verhoogt de nauwkeurigheid van het meten van tijd op kwantumniveau, wat essentieel is voor toepassingen zoals GPS, astronomisch onderzoek, en gedistribueerd computergebruik.

de fysici, Yuxiang Yang, Giulio Chiribella, en Masahito Hayashi, van de universiteiten van Hong Kong, Oxford, en Nagoya, hebben een artikel gepubliceerd over de kwantumstopwatch-techniek in een recent nummer van de Proceedings van de Royal Society A .

Zoals de natuurkundigen in hun paper uitleggen, als het gaat om het maken van zeer nauwkeurige tijdmetingen, sommige klokken zijn om technologische redenen beter dan andere. Maar alle klokken - hoe goed geconstrueerd ook - zijn onderworpen aan een fundamentele kwantumlimiet die zijn wortels heeft in het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Door deze kwantumlimiet, grotere klokken hebben kleinere meetfouten, maar geen enkele klok kan zo groot zijn dat hij volledig foutloos is.

Als gevolg van deze limiet, wanneer een of meer klokken meerdere tijdmetingen uitvoeren, bijvoorbeeld bij het meten van de totale duur van een reeks gebeurtenissen, stapelen de fouten zich op. Dit leidt tot een onnauwkeurigheid die lineair toeneemt met het aantal metingen.

De kwantumstopwatchmethode lost dit probleem op door de toestanden van klokken (meestal bestaande uit veel identieke atomen of ionen) over te dragen naar het geheugen van een kwantumcomputer. De computer verwerkt vervolgens alle gegevens en bepaalt met slechts één meting de lengte van het tijdsinterval. Als resultaat, de enige fout is de fout als gevolg van de meting van één klok.

"De kwantumstopwatch introduceert een nieuwe, nauwkeurigere manier om tijdinformatie te verwerken, " vertelde Chiribella Phys.org . "Voordat, de meeste mensen dachten dat de enige toepassing van kwantumklokken was om nauwkeurige, klassieke informatie over tijd. De klok was kwantum, maar de output was puur klassieke informatie, die kunnen worden opgeslagen in het geheugen van een klassieke computer. Met de stopwatch we begrepen dat het bijhouden van tijdinformatie in een kwantumvorm fouten met een zeer grote hoeveelheid kan verminderen. De moraal is:als we verschillende stukjes tijdinformatie willen combineren, die informatie kan maar beter kwantum zijn."

Een van de uitdagingen van dit idee is dat het erg moeilijk is om grote hoeveelheden informatie in een kwantumgeheugen op te slaan. wat leidt tot de vraag hoeveel geheugen nodig is om tijd op te slaan. In hun krant de natuurkundigen leiden een "quantum memory bound" af die het minimum aantal qubits bepaalt dat het geheugen nodig heeft om kloktoestanden met een bepaalde nauwkeurigheid op te slaan.

Algemeen, de natuurkundigen hopen dat, door aan te tonen dat kwantumcomputers kunnen worden gebruikt om de nauwkeurigheid van tijdmetingen te vergroten, de kwantumstopwatch zal een extra motivatie geven voor de ontwikkeling van kwantumcomputers. Ze verwachten dat een van de grootste uitdagingen voor het experimenteel realiseren van de kwantumstopwatch-methode het met een hoge nauwkeurigheid coderen en decoderen van de toestanden zal zijn. Na verdere verbeteringen, de quantum stopwatch-methode zou een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen kunnen hebben.

"Een spannend toepassingsgebied is de ontwikkeling van netwerken van kwantumklokken, "Zei Chiribella. "Stel je voor dat een aantal kwantumklokken op verschillende posities in de ruimte zitten, en kunnen met elkaar communiceren via kwantumcommunicatieverbindingen. Door informatie van de ene klok naar de andere over te dragen, we kunnen de nauwkeurigheid van tijdmetingen in het netwerk aanzienlijk verbeteren. Bijvoorbeeld, we kunnen de gemiddelde tikfrequentie van de klokken meten met een precisie die niet mogelijk zou zijn als de klokken niet met elkaar verbonden waren. Op de lange termijn, deze toepassingen kunnen leiden tot een quantum-verbeterde GPS-technologie, die objecten zou kunnen lokaliseren met een precisie die verder gaat dan de precisie van onze huidige GPS-apparaten."

© 2018 Fys.org