Wat hebben kwantumcomputers te maken met met smog gevulde Londense straten, vliegende onderzeeërs, vesten, onderrokken, Sherlock Holmesiaanse mysteries en koperen brillen?

Een heleboel, volgens Nicole Yunger Halpern. Vorige week ging de theoretisch fysicus samen met Jacob Barandes, co-directeur van graduate studies for physics, praten over haar nieuwe boek, "Quantum Steampunk:The Physics of Yesterday's Tomorrow." Daarin ontleedt Yunger Halpern een nieuwe tak van wetenschap - kwantumthermodynamica, of kwantumsteampunk zoals ze het noemt - door steampunkfictie te combineren met non-fictie en thermodynamica uit het Victoriaanse tijdperk (de hitte en energie die stoommachines aan het pompen zet) met kwantumfysica. Yunger Halpern presenteert een grillige lens waardoor lezers kunnen kijken naar een "wetenschappelijke revolutie die in realtime plaatsvindt", zei Barandes, terwijl hij mysteries onderzocht die zelfs Holmes niet kon oplossen, zoals waarom de tijd maar in één richting stroomt.

"Deze samensmelting van oud en nieuw creëert een geweldig gevoel van nostalgie en avontuur, romantiek en verkenning", zei Yunger Halpern tijdens een virtuele Harvard Science Book Talk gepresenteerd door de University's Division of Science, Cabot Science Library en Harvard Book Store. In steampunk, vervolgde ze, "fans verkleden zich in kostuums vol hoge hoeden en brillen en uitrustingen en verzamelen zich op conventies. Wat ze dromen, ik heb het immense voorrecht om de kans te hebben om te leven."

Yunger Halpern, fellow van het Joint Centre for Quantum Information and Computer Science en adjunct-assistent-professor aan de Universiteit van Maryland, gebruikt steampunk, een combinatie van Victoriaanse stijl en futuristische technologie, om lezers kennis te laten maken met de complexe en fantastische wereld van de kwantumthermodynamica. Het nieuwe veld combineert kwantumfysica, informatiewetenschap en energiewetenschap om nieuwe manieren te bestuderen om auto's van stroom te voorzien, batterijen op te laden, informatie te coderen en kwantumcomputers te koelen.

"Hoe kunnen we de Victoriaanse theorie van de thermodynamica uitbreiden van grote alledaagse systemen, zoals stoommachines, naar kleine kwantum- en informatieverwerkingssystemen?" vroeg Yunger Halpern, en antwoordde toen:"We reiken terug naar het verleden en gaan naar de toekomst."

Om hun gesprek te leiden, concentreerde Barandes zich op het vermogen van Yunger Halpern om dichte kwantumconcepten met eigenzinnigheid uit te leggen. Hoewel "Quantum Steampunk" voornamelijk non-fictie is, introduceert Yunger Halpern elk hoofdstuk met een fictief verhaal in steampunk-stijl, met personages met namen als Audrey en Baxter. Dit zijn niet alleen wetenschappelijke afvalligen uit het Victoriaanse tijdperk die rondvliegen in luchtschepen en sleutelen aan tijdmachines; het zijn de steampunk-versies van Alice en Bob - aliassen die wetenschappers gewoonlijk aan kwantumdeeltjes geven om hun gedrag gemakkelijker te beschrijven te maken.

Om de vele abstracte definities van haar vakgebied te introduceren, creëerde Yunger Halpern een menagerie van metaforen. Ze vergelijkt bijvoorbeeld zwakke kwantummetingen - gebruikt om een ​​kwantumsysteem te onderzoeken zonder het te verstoren - met een kolibrie "die heel zacht op je schouder neerstrijkt", zei Yunger Halpern.

Voor het integrale concept van entropie vertrouwde Yunger Halpern op nog een andere vogel - de raaf van Edgar Allan Poe, om precies te zijn. Entropie is heel eenvoudig een maat voor onzekerheid. In het zeer kleine domein van de kwantumfysica moeten wetenschappers meer entropieën, of onzekerheden, ontwarren om controle over kwantumdeeltjes uit te oefenen. In grotere systemen met meer deeltjes, zoals stoommachines, zijn steeds minder entropieën van belang.

"Het deed me denken aan een deel van 'The Raven'," zei Yunger Halpern, voordat hij een aantal coupletten van Poe's beroemde gedicht reciteerde. "Al zijn dromen, nachtmerries, angsten en verschrikkingen stortten in op deze ene raaf," zei ze. zei. "Dat is misschien een algemene manier om te zeggen dat al deze kwantumentropieën in de conventionele thermodynamica instorten op slechts één."

Voordat hij zijn volgende vraag stelde, sprong Barandes naar binnen om verder te gaan waar Yunger Halpern was gebleven, en reciteerde een ander couplet van "The Raven" met bijna kwantumsnelheid. ("Mijn vrouw rolt met haar ogen", zei hij toen Yunger Halpern aan het einde van de discussie voorstelde om samen te werken aan een langere recitatie voor Poetry Month.)

Barandes vroeg Yunger Halpern ook om te speculeren over de toekomst van kwantumcomputers en wanneer ze wereldwijd zouden kunnen gaan. Dergelijke machines kunnen meer doen voor minder, zei Yunger Halpern, wat betekent dat ze veel complexere problemen kunnen berekenen, sneller en met minder middelen dan klassieke computers.

Eerder in haar talk toonde Yunger Halpern een foto van een moderne kwantumcomputer die, net als een goede steampunk-machine, eruitzag als een nauwgezet web van delicate metalen. Maar dat ding, legde ze uit, was gewoon de koelkast van de computer; de kwantumcomputer was een kleine, kwetsbare chip in het midden, zoals de kroonjuwelen in de Tower of London.

Hoewel het nog een paar decennia verwijderd is, zei Yunger Halpern dat kwantumcomputers verkeersstromen of bijna ondoordringbare codering kunnen decoderen. Maar, zei ze, "niet alle problemen zijn geschikt voor kwantumcomputers. Ik raad bijvoorbeeld niet aan om je belastingen op één computer te doen." En hoewel ze niet in elk thuiskantoor een van deze analytische kolossen voorziet, erkende ze dat de hedendaagse natuurkundigen ontdekkingen hebben gedaan die de grondleggers van de kwantumtheorie voor onmogelijk hielden.

"Ik hoop echt", zei Yunger Halpern, "dat kwantumcomputers ons leven verbeteren op manieren die we ons vandaag niet kunnen voorstellen." Of, om te lenen van Poe's Victoriaanse vers dat ze een paar minuten eerder had voorgedragen:'Ik stond daar... dromen dromen die geen sterveling ooit eerder had durven dromen.' + Verder verkennen

Onderzoeksgroep bewijst dat kwantumcomplexiteit exponentieel lang exponentieel groeit

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, de officiële krant van Harvard University. Ga voor meer universiteitsnieuws naar Harvard.edu.