Voeg een scheutje creamer toe aan je ochtendkoffie en er zullen wolken witte vloeistof rond je kopje dwarrelen. Maar geef het een paar seconden en de wervelingen zullen verdwijnen, waardoor je een gewone mok bruine vloeistof overhoudt.

Iets soortgelijks gebeurt in kwantumcomputerchips – apparaten die gebruik maken van de vreemde eigenschappen van het universum op de kleinste schaal – waar informatie snel door de war kan raken, waardoor de geheugenmogelijkheden van deze tools worden beperkt.

Dat hoeft niet het geval te zijn, zegt Rahul Nandkishore, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Colorado Boulder.

In een nieuwe coup voor de theoretische natuurkunde hebben hij en zijn collega's wiskunde gebruikt om aan te tonen dat wetenschappers in wezen een scenario kunnen creëren waarin melk en koffie nooit met elkaar vermengen, hoe hard je ze ook roert.

De bevindingen van de groep kunnen leiden tot nieuwe ontwikkelingen op het gebied van kwantumcomputerchips, waardoor ingenieurs mogelijk nieuwe manieren krijgen om informatie op te slaan in ongelooflijk kleine objecten.

"Denk aan de eerste wervelende patronen die verschijnen als je room aan je ochtendkoffie toevoegt", zegt Nandkishore, senior auteur van de nieuwe studie. "Stel je voor dat deze patronen blijven wervelen en dansen, hoe lang je ook kijkt."

Onderzoekers moeten nog steeds experimenten uitvoeren in het laboratorium om er zeker van te zijn dat deze eindeloze wervelingen echt mogelijk zijn. Maar de resultaten van de groep zijn een grote stap voorwaarts voor natuurkundigen die materialen willen creëren die gedurende lange perioden uit balans of evenwicht blijven – een streven dat bekend staat als 'ergodiciteitsbreken'.

De bevindingen van het team zijn deze week gepubliceerd in het laatste nummer van Physical Review Letters .

Kwantumgeheugen

De studie, waaraan co-auteurs David Stephen en Oliver Hart deelnemen, postdoctorale onderzoekers in de natuurkunde aan CU Boulder, draait om een ​​veelvoorkomend probleem in kwantumcomputers.

Normale computers draaien op 'bits', die de vorm aannemen van nullen of enen. Nandkishore legde uit dat kwantumcomputers daarentegen ‘qubits’ gebruiken, die kunnen bestaan ​​als nul, één of, door de vreemdheid van de kwantumfysica, nul en één tegelijk. Ingenieurs hebben qubits gemaakt van een breed scala aan dingen, waaronder individuele atomen die worden opgevangen door lasers of kleine apparaten die supergeleiders worden genoemd.

Maar net als dat kopje koffie kunnen qubits gemakkelijk door de war raken. Als je bijvoorbeeld al je qubits naar één omdraait, zullen ze uiteindelijk heen en weer draaien totdat de hele chip een ongeorganiseerde puinhoop wordt.

In het nieuwe onderzoek hebben Nandkishore en zijn collega's mogelijk een manier bedacht om die neiging tot vermenging te omzeilen. De groep berekende dat als wetenschappers qubits in bepaalde patronen rangschikken, deze assemblages hun informatie zullen behouden – zelfs als je ze verstoort met een magnetisch veld of een soortgelijke verstoring. Dat zou, zo zei de natuurkundige, ingenieurs in staat kunnen stellen apparaten te bouwen met een soort kwantumgeheugen.

"Dit zou een manier kunnen zijn om informatie op te slaan", zei hij. "Je zou informatie in deze patronen schrijven, en de informatie kon niet worden verslechterd."

Geometrie aanboren

In het onderzoek gebruikten de onderzoekers wiskundige modelleringstools om een ​​reeks van honderden tot duizenden qubits voor te stellen, gerangschikt in een schaakbordachtig patroon.

De truc, zo ontdekten ze, was om de qubits op een krappe plek te proppen. Als qubits dicht genoeg bij elkaar komen, legt Nadkishore uit, kunnen ze het gedrag van hun buren beïnvloeden, bijna zoals een menigte mensen zichzelf in een telefooncel probeert te persen. Sommige van die mensen staan ​​misschien rechtop of op hun hoofd, maar ze kunnen niet de andere kant op draaien zonder tegen alle anderen te duwen.

De onderzoekers berekenden dat als ze deze patronen op de juiste manier zouden rangschikken, deze patronen rond een kwantumcomputerchip zouden kunnen vloeien en nooit zouden verslechteren, net zoals die roomwolken die voor altijd in je koffie ronddwarrelen.

"Het prachtige aan deze studie is dat we ontdekten dat we dit fundamentele fenomeen konden begrijpen via een bijna eenvoudige geometrie", aldus Nandkishore.

De bevindingen van het team kunnen veel meer beïnvloeden dan alleen kwantumcomputers.

Nandkishore legde uit dat bijna alles in het universum, van kopjes koffie tot uitgestrekte oceanen, de neiging heeft te evolueren naar wat wetenschappers 'thermisch evenwicht' noemen. Als u bijvoorbeeld een ijsblokje in uw mok laat vallen, zal de warmte van uw koffie het ijs doen smelten en uiteindelijk een vloeistof met een uniforme temperatuur vormen.

Zijn nieuwe bevindingen sluiten zich echter aan bij een groeiend aantal onderzoeken die erop wijzen dat sommige kleine organisaties van materie dat evenwicht kunnen weerstaan, waardoor ze schijnbaar een aantal van de meest onveranderlijke wetten van het universum overtreden.

"We hoeven onze wiskunde voor ijs en water niet opnieuw uit te voeren", zei Nandkishore. "Het wiskundegebied dat wij statistische natuurkunde noemen, is ongelooflijk succesvol in het beschrijven van dingen die we in het dagelijks leven tegenkomen. Maar er zijn situaties waarin dit misschien niet van toepassing is."

Meer informatie: David T. Stephen et al, Ergocity Breaking Provably Robust to Willekeurige verstoringen, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.040401. OparXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.03966

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

Aangeboden door de Universiteit van Colorado in Boulder