Onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck hebben een methode ontwikkeld om voorheen nauwelijks toegankelijke eigenschappen in kwantumsystemen meetbaar te maken. De nieuwe methode voor het bepalen van de kwantumtoestand in kwantumsimulatoren vermindert het aantal noodzakelijke metingen en maakt het werken met kwantumsimulatoren veel efficiënter.

In een paar jaar, een nieuwe generatie kwantumsimulators zou inzichten kunnen opleveren die met simulaties op conventionele supercomputers niet mogelijk zouden zijn. Quantumsimulatoren zijn in staat een grote hoeveelheid informatie te verwerken, omdat ze kwantummechanisch een enorm aantal bittoestanden over elkaar heen leggen. Om deze reden, echter, het blijkt ook moeilijk om deze informatie uit de kwantumsimulator te lezen. Om de kwantumtoestand te kunnen reconstrueren, een zeer groot aantal individuele metingen is nodig. De methode die wordt gebruikt om de kwantumtoestand van een kwantumsimulator uit te lezen, wordt kwantumtoestandtomografie genoemd.

"Elke meting levert een 'dwarsdoorsnedebeeld' van de kwantumtoestand op. Vervolgens zet je deze dwarsdoorsnedebeelden samen om de volledige kwantumtoestand te vormen, ", legt theoretisch fysicus Christian Kokail uit van het team van Peter Zoller aan het Instituut voor Quantum Optics en Quantum Informatie aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de afdeling Experimentele Fysica aan de Universiteit van Innsbruck. Het aantal benodigde metingen in het laboratorium neemt zeer snel toe met de grootte van het systeem. "Het aantal metingen groeit exponentieel met het aantal qubits, ', zegt de natuurkundige. De onderzoekers van Innsbruck zijn er nu in geslaagd een veel efficiëntere methode voor kwantumsimulatoren te ontwikkelen.

Efficiënte methode die nieuwe inzichten oplevert

Inzichten uit de kwantumveldentheorie zorgen ervoor dat kwantumtoestandtomografie veel efficiënter is, d.w.z., worden uitgevoerd met aanzienlijk minder metingen. "Het fascinerende is dat het vanaf het begin helemaal niet duidelijk was dat de voorspellingen van de kwantumveldentheorie konden worden toegepast op onze kwantumsimulatie-experimenten, ", zegt theoretisch natuurkundige Rick van Bijnen. "Het bestuderen van oudere wetenschappelijke artikelen uit dit veld leidde ons toevallig op dit pad." De kwantumveldentheorie biedt het basisraamwerk van de kwantumtoestand in de kwantumsimulator. Er zijn dan maar een paar metingen nodig om te passen de details in dit basiskader.

Op basis hiervan, de Innsbruck-onderzoekers hebben een meetprotocol ontwikkeld waarmee tomografie van de kwantumtoestand mogelijk wordt met een drastisch verminderd aantal metingen. Tegelijkertijd, met de nieuwe methode kunnen nieuwe inzichten worden verkregen in de structuur van de kwantumtoestand. De natuurkundigen testten de nieuwe methode met experimentele data van een ionenvalkwantumsimulator van de onderzoeksgroep Innsbruck onder leiding van Rainer Blatt en Christian Roos. "In het proces, we waren nu in staat om eigenschappen van de kwantumtoestand te meten die voorheen niet waarneembaar waren in deze kwaliteit, ’ vertelt Kokail.

Verificatie van het resultaat

Met een verificatieprotocol dat de groep twee jaar geleden samen met Andreas Elben en Benoit Vermersch heeft ontwikkeld, kan worden gecontroleerd of de structuur van de kwantumtoestand daadwerkelijk overeenkomt met de verwachtingen uit de kwantumveldentheorie. "We kunnen verdere willekeurige metingen gebruiken om te controleren of het basisraamwerk voor tomografie dat we op basis van de theorie hebben ontwikkeld, daadwerkelijk past of helemaal niet klopt, " legt Christian Kokail uit.

Het protocol geeft een rode vlag als het kader niet past. Natuurlijk, dit zou ook een interessante bevinding zijn voor de natuurkundigen, omdat het mogelijk aanwijzingen zou geven voor de nog niet volledig begrepen relatie met de kwantumveldentheorie. Momenteel, de natuurkundigen rond Peter Zoller ontwikkelen kwantumprotocollen waarin het basisraamwerk van de kwantumtoestand niet is opgeslagen op een klassieke computer, maar wordt direct op de kwantumsimulator gerealiseerd.

De studie is gepubliceerd in Natuurfysica .