Er wordt intensief onderzoek gedaan naar kwantumsimulatoren:ze beloven de eigenschappen van complexe kwantumsystemen nauwkeurig te berekenen, wanneer conventionele en zelfs supercomputers uitvallen. In een samenwerkingsproject theoretici van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching en de Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) hebben nu een nieuwe toolbox voor kwantumsimulatoren ontwikkeld en gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . Het maakt gebruik van het Nobelprijswinnende topologieprincipe om kwantumbits, bijvoorbeeld individuele atomen, om met elkaar te communiceren via 'topologische radiokanalen'. De "radiokanalen" worden geleverd door een lichtveld dat zich met behulp van topologie op een robuuste manier in golfgeleider voortplant. Het concept biedt ruimte voor geheel nieuwe ideeën, variërend van fundamenteel onderzoek tot kwantuminformatie.

"Hoe kunnen we twee verre kwantumbits met elkaar laten 'praten'?" vraagt ​​Alejandro González-Tudela. "Dit is een essentiële uitdaging op het gebied van kwantuminformatie en simulatie!" Tot voor kort, de theoretisch fysicus was een postdoctoraal onderzoeker in de afdeling Ignacio Cirac, directeur van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching, en vandaag is hij een vaste onderzoeker aan het Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC in Madrid. Samen met Cirac en twee Spaanse collega's van het Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid, hij heeft nu een wetenschappelijk artikel gepubliceerd dat een compleet nieuwe toolbox introduceert voor fotonica. Fotonica is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de interactie tussen licht en materie en de technische toepassing ervan.

Een mogelijke toepassing is de zogenaamde kwantumsimulatie, die teruggaat op een idee van de beroemde Amerikaanse Nobelprijswinnaar Richard Feynman. Als men het gedrag van een kwantumsysteem zo nauwkeurig mogelijk wil berekenen op een conventionele computer, de benodigde rekenkracht verdubbelt bij elk nieuw kwantumdeeltje in het systeem. Door deze wiskundige lawine, zelfs relatief kleine kwantumsystemen bestaande uit slechts enkele tientallen deeltjes overtreffen de prestaties van zelfs conventionele supercomputers. Om deze reden, Feynman kwam decennia geleden op het idee om het gedrag van een kwantumsysteem te simuleren met behulp van een ander kwantumsysteem. In principe, zo'n kwantumsimulator is een gespecialiseerde kwantumcomputer waarvan de afzonderlijke kwantumbits gemakkelijk van buitenaf kunnen worden bestuurd - in tegenstelling tot het nogal ontoegankelijke kwantumsysteem waarvan het gedrag zou moeten simuleren.

Dergelijke kwantumsimulatoren zijn al jarenlang onderwerp van intensief onderzoek. Bijvoorbeeld, ze beloven een beter begrip te geven van materiaaleigenschappen zoals supergeleiding of complex magnetisme. Ze spelen ook een belangrijke rol bij het Instituut in Garching. Bijvoorbeeld, een simulator kan bestaan ​​uit een wolk van ultrakoude atomen gevangen in een ruimtelijk rooster van laserlicht. Als deze kwantumbits - of kortweg qubits - met elkaar moeten interageren, ze doen dit door lichtquanta uit te wisselen, fotonen. Echter, een atoom zendt normaal gesproken zo'n foton in een willekeurige richting uit. Het zou veel efficiënter zijn voor kwantumsimulaties als de qubit zijn foton rechtstreeks naar zijn naaste of naaste buur zou kunnen richten.

Robuuste fotonradio

González-Tudela en zijn team hebben nu een theoretisch principe ontwikkeld dat zo'n gerichte "fotonradio" tussen atomen mogelijk maakt. "We moeten de qubits en fotonen in een golfgeleider stoppen, " legt de theoreticus uit. Echter, hoe "bedraad" je een ensemble van atomen die in een lichtraster in de ruimte zweven met zulke golfgeleiders en laat je ze op een robuuste manier praten? Het antwoord van de vier theoretici is:met extreem lastig licht.

De truc is in wezen om het wiskundige concept van topologie over te brengen van de vastestoffysica naar de fotonica. In de vastestoffysica, het heeft de afgelopen jaren een ware hype veroorzaakt omdat het volledig nieuwe, voorheen onbekende materiaaleigenschappen. in 2016, de drie Britse natuurkundigen David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz kregen de Nobelprijs voor de natuurkunde voor het succesvol introduceren van topologische concepten in de vastestoffysica. In principe, de vraag is hoeveel gaten een geometrisch lichaam heeft. Een koffiekopje, bijvoorbeeld, heeft een gat in het handvat, net als een donutring in het midden, en dus hebben beide het topologische nummer één. Het gevolg:puur geometrisch gezien, de beker en donut kunnen eenvoudig in elkaar worden getransformeerd. Anderzijds, gewelddadige topologische weerstand wordt ondervonden wanneer een donut met één gat moet worden omgevormd tot een pretzel met drie gaten.

in de natuurkunde, deze hole number-regel heeft tot gevolg dat de topologie bepaalde fysische eigenschappen enorm kan stabiliseren tegen verstoringen. En dit leidt tot de tweede grote uitdaging in kwantuminformatie en dus kwantumsimulatie:alomtegenwoordige verstoringen zorgen ervoor dat de zeer gevoelige kwantuminformatie snel vervalt.

"Deze zogenaamde decoherentie is het grootste probleem van kwantuminformatie, ", zegt González-Tudela. De boeiende eigenschappen van topologie brachten slimme geesten al snel tot de conclusie dat de gevoelige kwantumbits konden worden verpakt in fysieke systemen met dergelijke topologische eigenschappen. Dit wordt onderzocht in de vastestoffysica, bijvoorbeeld, en ook grote bedrijven zoals Microsoft investeren fors in dit onderzoek.

Topologische Toolbox

González-Tudela en zijn drie co-auteurs hebben nu een toolbox bedacht waarmee dergelijke topologische concepten kunnen worden omgezet in fotonica. Sommige systemen, zoals ultrakoude atomen in lichtroosters, zijn al ver gevorderd in hun beheersbaarheid. Ze bieden daarom veel mogelijkheden voor kwantumsimulatie. De gereedschapskist van de vier theoretici opent een nieuwe ruimte voor veel creatieve ideeën. Simpel gezegd, het bestaat uit een reeks kwantumbits, bijvoorbeeld enkele atomen gerangschikt in een lijn. Ze kunnen communiceren met een slim geconstrueerde, lineair "lichtbad" dat zich gedraagt ​​als de golfgeleider waarnaar de theoretische natuurkundigen op zoek waren.

Als men nu de verschillende stelschroeven van het systeem manipuleert, via deze golfgeleider kunnen de quantumbits naar wens fotonen uitwisselen. Maar niet alleen dat:bijvoorbeeld een qubit kan zijn informatie in één richting sturen, maar blijf volledig donker in de tegenovergestelde richting. Dergelijke interacties zijn buitengewoon moeilijk te produceren in de microwereld van atomen.

Zo biedt de toolbox van de vier theoretici veel nieuwe mogelijkheden om quantumbits met elkaar te laten communiceren. Dit is precies wat toekomstige kwantumsimulators nodig hebben. Het concept is ook universeel:het kan ook worden gerealiseerd in sommige kwantumsystemen die zijn samengesteld uit vele qubits die momenteel worden onderzocht. Het nieuwe werk van de vier theoretici zou de kern kunnen worden van volledig nieuwe ideeën, variërend van puur fundamenteel onderzoek tot kwantuminformatie.