Onderzoekers hebben een manier gevonden om zeer kwetsbare kwantumsystemen te beschermen tegen ruis, die kunnen helpen bij het ontwerp en de ontwikkeling van nieuwe kwantumapparaten, zoals ultrakrachtige kwantumcomputers.

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge, hebben aangetoond dat microscopisch kleine deeltjes intrinsiek verbonden kunnen blijven, of verstrikt, over lange afstanden, zelfs als er willekeurige onderbrekingen tussen zijn. Met behulp van de wiskunde van de kwantumtheorie, ze ontdekten een eenvoudige opstelling waarbij verstrengelde deeltjes zelfs in de aanwezigheid van ruis kunnen worden voorbereid en gestabiliseerd door gebruik te maken van een voorheen onbekende symmetrie in kwantumsystemen.

hun resultaten, gerapporteerd in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven , een nieuw venster openen in de mysterieuze kwantumwereld die een revolutie teweeg kan brengen in toekomstige technologie door kwantumeffecten in lawaaierige omgevingen te behouden, dat is de grootste hindernis voor de ontwikkeling van dergelijke technologie. Het benutten van deze mogelijkheid zal de kern vormen van ultrasnelle kwantumcomputers.

Kwantumsystemen zijn gebouwd op het eigenaardige gedrag van deeltjes op atomair niveau en kunnen een revolutie teweegbrengen in de manier waarop complexe berekeningen worden uitgevoerd. Terwijl een normaal computerbit een elektrische schakelaar is die kan worden ingesteld op één of nul, een kwantumbit, of qubit, kan worden ingesteld op één, nul, of beide tegelijk. Verder, wanneer twee qubits verstrengeld zijn, een operatie aan de ene heeft onmiddellijk gevolgen voor de andere, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. Deze dubbele toestand geeft een kwantumcomputer zijn kracht. Een computer die is gebouwd met verstrengelde qubits in plaats van normale bits, zou berekeningen kunnen uitvoeren die de capaciteiten van zelfs de krachtigste supercomputers ver te boven gaan.

"Echter, qubits zijn extreem kieskeurige dingen, en het kleinste beetje geluid in hun omgeving kan ervoor zorgen dat ze verstrikt raken, " zei Dr. Shovan Dutta van Cambridge's Cavendish Laboratory, de eerste auteur van de krant. "Totdat we een manier kunnen vinden om kwantumsystemen robuuster te maken, hun toepassingen in de echte wereld zullen beperkt zijn."

Verschillende bedrijven, met name IBM en Google hebben werkende kwantumcomputers ontwikkeld, hoewel deze tot nu toe beperkt zijn gebleven tot minder dan 100 qubits. Ze vereisen bijna volledige isolatie van lawaai, en zelfs dan, hebben een zeer korte levensduur van enkele microseconden. Beide bedrijven hebben plannen om de komende jaren 1000 qubit-kwantumcomputers te ontwikkelen. hoewel, tenzij de stabiliteitsproblemen worden opgelost, kwantumcomputers zullen niet praktisch worden gebruikt.

Nutsvoorzieningen, Dutta en zijn co-auteur professor Nigel Cooper hebben een robuust kwantumsysteem ontdekt waarin meerdere paren qubits verstrengeld blijven, zelfs met veel ruis.

Ze modelleerden een atoomsysteem in een roosterformatie, waar atomen sterk met elkaar interageren, hoppen van de ene plaats van het rooster naar de andere. De auteurs ontdekten dat als ruis in het midden van het rooster werd toegevoegd, het had geen invloed op verstrengelde deeltjes tussen de linker- en rechterkant. Deze verrassende eigenschap is het resultaat van een speciaal type symmetrie dat het aantal van dergelijke verstrengelde paren behoudt.

"We hadden dit gestabiliseerde type verstrengeling helemaal niet verwacht, "zei Dutta. "We kwamen deze verborgen symmetrie tegen, wat zeer zeldzaam is in deze luidruchtige systemen."

Ze toonden aan dat deze verborgen symmetrie de verstrengelde paren beschermt en het mogelijk maakt hun aantal te regelen van nul tot een grote maximale waarde. Soortgelijke conclusies kunnen worden toegepast op een brede klasse van fysieke systemen en kunnen worden gerealiseerd met reeds bestaande ingrediënten in experimentele platforms, de weg vrijmaakt voor beheersbare verstrikking in een lawaaierige omgeving.

"Ongecontroleerde omgevingsverstoringen zijn slecht voor het overleven van kwantumeffecten zoals verstrengeling, maar je kunt veel leren door doelbewust specifieke soorten verstoringen te ontwikkelen en te zien hoe de deeltjes reageren, " zei Dutta. "We hebben aangetoond dat een eenvoudige vorm van verstoring in feite veel verstrengelde paren kan produceren - en behouden, dat is een grote stimulans voor experimentele ontwikkelingen op dit gebied."

De onderzoekers hopen hun theoretische bevindingen het komende jaar met experimenten te bevestigen.