Een team van kwantumtheoretici die een fundamenteel probleem met kwantumgloeicomputers probeerden te verhelpen - ze moeten in een relatief langzaam tempo werken om goed te kunnen werken - vond in plaats daarvan iets intrigerends. Terwijl we onderzoeken hoe quantum-annealers presteren wanneer ze sneller dan gewenst worden bediend, het team ontdekte onverwacht een nieuw effect dat de onevenwichtige verdeling van materie en antimaterie in het universum kan verklaren, en een nieuwe benadering voor het scheiden van isotopen.

"Hoewel onze ontdekking de beperking van de gloeitijd niet heeft verholpen, het bracht een klasse nieuwe natuurkundige problemen met zich mee die nu kunnen worden bestudeerd met kwantumgloeiers zonder dat ze te langzaam hoeven te zijn, " zei Nikolai Sinitsyn, een theoretisch fysicus bij Los Alamos National Laboratory. Sinitsyn is auteur van het artikel dat op 19 februari is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , met coauteurs Bin Yan en Wojciech Zurek, beide ook van Los Alamos, en Vladimir Chernyak van Wayne State University.

aanzienlijk, deze bevinding geeft aan hoe in de toekomst ten minste twee beroemde wetenschappelijke problemen kunnen worden opgelost. De eerste is de schijnbare asymmetrie tussen materie en antimaterie in het heelal.

"We zijn van mening dat kleine aanpassingen aan recente experimenten met kwantumgloeien van interagerende qubits gemaakt van ultrakoude atomen over faseovergangen voldoende zullen zijn om ons effect aan te tonen, ' zei Sinitsyn.

De discrepantie materie/antimaterie uitleggen

Zowel materie als antimaterie waren het resultaat van de energie-excitaties die werden geproduceerd bij de geboorte van het universum. De symmetrie tussen de interactie tussen materie en antimaterie was verbroken, maar zeer zwak. Het is nog steeds niet helemaal duidelijk hoe dit subtiele verschil kan leiden tot de grote waargenomen dominantie van materie in vergelijking met antimaterie op kosmologische schaal.

Het nieuw ontdekte effect toont aan dat een dergelijke asymmetrie fysiek mogelijk is. Het gebeurt wanneer een groot kwantumsysteem door een faseovergang gaat, dat is, een zeer scherpe herschikking van de kwantumtoestand. In zulke omstandigheden, sterke maar symmetrische interacties compenseren elkaar ruwweg. Dan subtiel, slepende verschillen kunnen de beslissende rol spelen.

Quantum annealers langzaam genoeg maken

Quantum-gloeicomputers zijn gebouwd om complexe optimalisatieproblemen op te lossen door variabelen te associëren met kwantumtoestanden of qubits. In tegenstelling tot de binaire bits van een klassieke computer, die alleen in een staat kan zijn, of waarde, van 0 of 1, qubits kunnen zich in een kwantumsuperpositie van tussenliggende waarden bevinden. Daar ontlenen alle kwantumcomputers hun geweldige, indien nog grotendeels onbenut, bevoegdheden.

In een kwantumgloeicomputer, de qubits worden aanvankelijk bereid in een eenvoudige toestand met de laagste energie door een sterk extern magnetisch veld aan te leggen. Dit veld wordt dan langzaam uitgeschakeld, terwijl de interacties tussen de qubits langzaam worden ingeschakeld.

"Idealiter werkt een annealer langzaam genoeg om met minimale fouten te werken, maar vanwege decoherentie, men moet de uitgloeier sneller laten draaien, " legde Yan uit. Het team bestudeerde het opkomende effect wanneer de uitgloeiers met een hogere snelheid worden bediend, wat hen beperkt tot een eindige bedrijfstijd.

"Volgens de adiabatische stelling in de kwantummechanica, als alle veranderingen erg langzaam gaan, zogenaamd adiabatisch traag, dan moeten de qubits altijd in hun laagste energietoestand blijven, " zei Sinitsyn. "Vandaar, als we ze eindelijk meten, we vinden de gewenste configuratie van nullen en enen die de functie van belang minimaliseert, wat onmogelijk zou zijn met een moderne klassieke computer."

Gehinderd door decoherentie

Echter, momenteel beschikbare quantum annealers, zoals alle kwantumcomputers tot nu toe, worden gehinderd door de interacties van hun qubits met de omgeving, wat decoherentie veroorzaakt. Die interacties beperken het puur kwantumgedrag van qubits tot ongeveer een miljoenste van een seconde. In dat tijdsbestek, berekeningen moeten snel zijn - niet-adiabatisch - en ongewenste energie-excitaties veranderen de kwantumtoestand, onvermijdelijke rekenfouten introduceren.

De Kibble-Zurek-theorie, mede ontwikkeld door Wojciech Zurek, voorspelt dat de meeste fouten optreden wanneer de qubits een faseovergang tegenkomen, dat is, een zeer scherpe herschikking van hun collectieve kwantumtoestand.

Voor dit papier het team bestudeerde een bekend oplosbaar model waarin identieke qubits alleen interageren met hun buren langs een keten; het model verifieert de Kibble-Zurek-theorie analytisch. In de zoektocht van de theoretici om de beperkte bedrijfstijd in quantum-gloeicomputers te genezen, ze verhoogden de complexiteit van dat model door aan te nemen dat de qubits in twee groepen konden worden verdeeld met identieke interacties binnen elke groep, maar enigszins verschillende interacties voor qubits uit de verschillende groepen.

In zo'n mengsel ze ontdekten een ongewoon effect:één groep produceerde nog steeds een grote hoeveelheid energie-excitaties tijdens de passage door een faseovergang, maar de andere groep bleef in het energieminimum alsof het systeem helemaal geen faseovergang ondervond.

"Het model dat we gebruikten is zeer symmetrisch om oplosbaar te zijn, en we hebben een manier gevonden om het model uit te breiden, deze symmetrie doorbreken en toch oplossen, " legde Sinitsyn uit. "Toen ontdekten we dat de Kibble-Zurek-theorie het overleefde, maar met een draai - de helft van de qubits dissipeerde geen energie en gedroeg zich 'aardig'. Met andere woorden, ze handhaafden hun grondtoestanden."

Helaas, de andere helft van de qubits produceerde veel rekenfouten - dus tot nu toe geen remedie voor een passage door een faseovergang in quantum-gloeicomputers.

Een nieuwe manier om isotopen te scheiden

Een ander al lang bestaand probleem dat van dit effect kan profiteren, is isotopenscheiding. Bijvoorbeeld, natuurlijk uranium moet vaak worden gescheiden in de verrijkte en verarmde isotopen, zodat het verrijkte uranium kan worden gebruikt voor kernenergie of voor nationale veiligheidsdoeleinden. Het huidige scheidingsproces is kostbaar en energie-intensief. Het ontdekte effect betekent dat door een mengsel van op elkaar inwerkende ultrakoude atomen dynamisch door een kwantumfase-overgang te laten gaan, verschillende isotopen kunnen selectief worden geëxciteerd of niet en vervolgens worden gescheiden met behulp van de beschikbare magnetische afbuigtechniek.