Naarmate de omvang van moderne technologie kleiner wordt tot op nanoschaal, worden vreemde kwantumeffecten - zoals kwantumtunneling, superpositie en verstrengeling - prominent. Dit opent de deur naar een nieuw tijdperk van kwantumtechnologieën, waar kwantumeffecten kunnen worden benut. Veel alledaagse technologieën maken routinematig gebruik van feedbackcontrole; een belangrijk voorbeeld is de pacemaker, die de hartslag van de gebruiker moet bewaken en elektrische signalen moet sturen om deze te regelen, alleen wanneer dat nodig is. Maar natuurkundigen hebben nog geen gelijkwaardig begrip van feedbackcontrole op kwantumniveau. Nu hebben natuurkundigen een 'hoofdvergelijking' ontwikkeld die ingenieurs helpt feedback op kwantumschaal te begrijpen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

"Het is van vitaal belang om te onderzoeken hoe feedbackcontrole kan worden gebruikt in kwantumtechnologieën om efficiënte en snelle methoden te ontwikkelen voor het besturen van kwantumsystemen, zodat ze in realtime en met hoge precisie kunnen worden bestuurd", zegt co-auteur Björn Annby- Andersson, een kwantumfysicus aan de universiteit van Lund in Zweden.

Een voorbeeld van een cruciaal feedback-controleproces in kwantumcomputing is kwantumfoutcorrectie. Een kwantumcomputer codeert informatie over fysieke qubits, bijvoorbeeld fotonen van licht of atomen. Maar de kwantumeigenschappen van de qubits zijn kwetsbaar, dus het is waarschijnlijk dat de gecodeerde informatie verloren gaat als de qubits worden verstoord door trillingen of fluctuerende elektromagnetische velden. Dat betekent dat natuurkundigen dergelijke fouten moeten kunnen detecteren en corrigeren, bijvoorbeeld door feedback te sturen. Deze foutcorrectie kan worden geïmplementeerd door de toestand van de qubits te meten en, als een afwijking van de verwachte afwijking wordt gedetecteerd, feedback toe te passen om deze te corrigeren.

Maar feedbackcontrole op kwantumniveau biedt unieke uitdagingen, juist vanwege de kwetsbaarheid die natuurkundigen proberen te verminderen. Die delicate aard betekent dat zelfs het feedbackproces zelf het systeem kan vernietigen. "Het is nodig om slechts een zwakke wisselwerking te hebben met het gemeten systeem, met behoud van de eigenschappen die we willen exploiteren", zegt Annby-Andersson.

Het is dus belangrijk om een ​​volledig theoretisch begrip van kwantumfeedbackcontrole te ontwikkelen, om de fundamentele limieten ervan vast te stellen. Maar de meeste bestaande theoretische modellen van kwantumfeedbackcontrole vereisen computersimulaties, die doorgaans alleen kwantitatieve resultaten opleveren voor specifieke systemen. "Het is moeilijk om algemene, kwalitatieve conclusies te trekken", zegt Annby-Andersson. "De weinige modellen die kwalitatief inzicht kunnen bieden, zijn alleen toepasbaar op een beperkte klasse van feedbackgestuurde systemen - dit type feedback wordt meestal lineaire feedback genoemd."

'Pen en papier'

Annby-Andersson en zijn collega's hebben nu een hoofdvergelijking ontwikkeld, een "Quantum Fokker-Planck-vergelijking", waarmee natuurkundigen de evolutie van elk kwantumsysteem met feedbackcontrole in de tijd kunnen volgen. "De vergelijking kan scenario's beschrijven die verder gaan dan lineaire feedback", zegt Annby-Andersson. "In het bijzonder kan de vergelijking worden opgelost met pen en papier, in plaats van te vertrouwen op computersimulaties."

Het team testte hun vergelijking door deze toe te passen op een eenvoudig feedbackmodel. Dit bevestigde dat de vergelijking fysiek zinvolle resultaten oplevert en toonde ook aan hoe energie kan worden geoogst in microscopische systemen, met behulp van feedbackregeling. "De vergelijking is een veelbelovend startpunt voor toekomstige studies over hoe energie kan worden gemanipuleerd met behulp van informatie op microscopisch niveau", zegt Annby-Andersson.

Het team onderzoekt nu een systeem dat gebruikmaakt van feedback om energie te manipuleren in "kwantumdots" - kleine halfgeleidende kristallen van slechts een miljardsten van een meter breed. "Een belangrijke toekomstige richting is om de vergelijking te gebruiken als een hulpmiddel voor het bedenken van nieuwe feedbackprotocollen die kunnen worden gebruikt voor kwantumtechnologieën", zegt Annby-Andersson. + Verder verkennen

Quantumcomputer werkt met meer dan nul en één