In een nieuwe publicatie in Physical Review Letters , demonstreren onderzoekers in Amsterdam een ​​manier om spin-bosonsystemen te beschrijven en deze te gebruiken om kwantumapparaten efficiënt in de gewenste staat te configureren.

Kwantumapparaten gebruiken het eigenzinnige gedrag van kwantumdeeltjes om taken uit te voeren die verder gaan dan wat ‘klassieke’ machines kunnen doen, waaronder kwantumcomputers, simulatie, detectie, communicatie en metrologie. Deze apparaten kunnen vele vormen aannemen, zoals een verzameling supergeleidende circuits of een rooster van atomen of ionen die op hun plaats worden gehouden door lasers of elektrische velden.

Ongeacht hun fysieke realisatie worden kwantumapparaten doorgaans in vereenvoudigde termen beschreven als een verzameling op elkaar inwerkende kwantumbits of spins op twee niveaus. Deze spins hebben echter ook interactie met andere dingen in hun omgeving, zoals licht in supergeleidende circuits of oscillaties in het rooster van atomen of ionen. Lichtdeeltjes (fotonen) en trillingsmodi van een rooster (fononen) zijn voorbeelden van bosonen.

In tegenstelling tot spins, die slechts twee mogelijke energieniveaus hebben ("0" of "1"), is het aantal niveaus voor elk boson oneindig. Bijgevolg zijn er zeer weinig computerhulpmiddelen voor het beschrijven van spins gekoppeld aan bosonen.

In hun nieuwe werk werken natuurkundigen Liam Bond, Arghavan Safavi-Naini en Jiří Minář van de Universiteit van Amsterdam, QuSoft en Centrum Wiskunde &Informatica om deze beperking heen door systemen te beschrijven die zijn samengesteld uit spins en bosonen met behulp van zogenaamde niet-Gaussiaanse toestanden. Elke niet-Gaussische toestand is een combinatie (een superpositie) van veel eenvoudigere Gaussische toestanden.

Elk blauw-rood patroon in de afbeelding hierboven vertegenwoordigt een mogelijke kwantumtoestand van het spin-bosonsysteem. "Een Gaussische toestand zou eruit zien als een effen rode cirkel, zonder interessante blauw-rode patronen", legt Ph.D. kandidaat Liam Bond. Een voorbeeld van een Gaussiaanse toestand is laserlicht, waarin alle lichtgolven perfect synchroon lopen.

“Als we veel van deze Gaussische toestanden nemen en ze gaan overlappen (zodat ze in een superpositie zitten), ontstaan ​​deze prachtig ingewikkelde patronen. We waren bijzonder opgewonden omdat deze niet-Gaussische toestanden ons in staat stellen veel van de krachtige wiskundige eigenschappen te behouden. machinerie die bestaat voor Gaussiaanse toestanden, terwijl we tegelijkertijd een veel diverser stel kwantumtoestanden kunnen beschrijven”, zegt Bond.

"Er zijn zoveel mogelijke patronen dat klassieke computers vaak moeite hebben om ze te berekenen en te verwerken. In plaats daarvan gebruiken we in deze publicatie een methode die de belangrijkste van deze patronen identificeert en de andere negeert. Hierdoor kunnen we deze kwantumsystemen bestuderen en ontwerpen nieuwe manieren om interessante kwantumtoestanden voor te bereiden."

De nieuwe aanpak kan worden benut om kwantumtoestanden efficiënt voor te bereiden op een manier die beter presteert dan andere traditioneel gebruikte protocollen. "Snelle voorbereiding van de kwantumtoestand kan nuttig zijn voor een breed scala aan toepassingen, zoals kwantumsimulatie of zelfs kwantumfoutcorrectie", merkt Bond op.

De onderzoekers tonen ook aan dat ze niet-Gaussiaanse toestanden kunnen gebruiken om ‘kritische’ kwantumtoestanden voor te bereiden die overeenkomen met een systeem dat een faseovergang ondergaat. Naast het fundamentele belang kunnen dergelijke toestanden de gevoeligheid van kwantumsensoren aanzienlijk vergroten.

Hoewel deze resultaten zeer bemoedigend zijn, vormen ze slechts een eerste stap op weg naar ambitieuzere doelstellingen. Tot nu toe is de methode gedemonstreerd voor een enkele draai. Een natuurlijke, maar uitdagende uitbreiding is om tegelijkertijd veel spins en veel bosonische modi op te nemen. Een parallelle richting is bedoeld om rekening te houden met de effecten van de omgeving die de spin-bosonsystemen verstoort. Beide benaderingen worden actief ontwikkeld.