Er zijn verschillende ideeën over hoe kwantumcomputers kunnen worden gebouwd. Maar ze hebben allemaal één ding gemeen:je gebruikt een kwantumfysisch systeem – bijvoorbeeld individuele atomen – en verandert hun toestand door ze gedurende een bepaalde tijd aan zeer specifieke krachten bloot te stellen. Dit betekent echter dat je, om erop te kunnen vertrouwen dat de quantumcomputeroperatie het juiste resultaat oplevert, een zo nauwkeurig mogelijke klok nodig hebt.

Maar hier loop je tegen problemen aan:een perfecte tijdmeting is onmogelijk. Elke klok heeft twee fundamentele eigenschappen:een bepaalde nauwkeurigheid en een bepaalde tijdresolutie. De tijdresolutie geeft aan hoe klein de tijdsintervallen zijn die kunnen worden gemeten, dat wil zeggen hoe snel de klok tikt. Precisie vertelt u hoeveel onnauwkeurigheid u bij elke afzonderlijke tik kunt verwachten.

Het onderzoeksteam kon aantonen dat, aangezien geen enkele klok een oneindige hoeveelheid energie beschikbaar heeft (of een oneindige hoeveelheid entropie genereert), deze nooit tegelijkertijd een perfecte resolutie en perfecte precisie kan hebben. Dit stelt fundamentele grenzen aan de mogelijkheden van kwantumcomputers.

Kwantumberekeningsstappen zijn als rotaties

In onze klassieke wereld zijn perfecte rekenkundige bewerkingen geen probleem. Je kunt bijvoorbeeld een telraam gebruiken waarin houten balletjes op een stok worden geregen en heen en weer worden geduwd. De houten kralen hebben duidelijke toestanden, elk bevindt zich op een zeer specifieke plaats, als je niets doet blijft de kraal precies waar hij was.

En of je de kraal nu snel of langzaam beweegt, heeft geen invloed op het resultaat. Maar in de kwantumfysica is het ingewikkelder.

"Wiskundig gesproken komt het veranderen van een kwantumtoestand in een kwantumcomputer overeen met een rotatie in hogere dimensies", zegt Jake Xuereb van het Atoominstituut van de Technische Universiteit van Wenen in het team van Marcus Huber en eerste auteur van het eerste artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . "Om uiteindelijk de gewenste toestand te bereiken, moet de rotatie gedurende een zeer specifieke periode worden toegepast. Anders draai je de toestand te kort of te ver."

Entropie:de tijd maakt alles steeds rommeliger

Marcus Huber en zijn team onderzochten in het algemeen welke wetten altijd van toepassing moeten zijn op elke denkbare klok. ‘Tijdmeting heeft altijd te maken met entropie’, legt Marcus Huber uit. In elk gesloten fysiek systeem neemt de entropie toe en wordt deze steeds wanordelijker. Het is precies deze ontwikkeling die de richting van de tijd bepaalt:in de toekomst is de entropie hoger, en in het verleden is de entropie nog lager.

Zoals kan worden aangetoond, gaat elke meting van tijd onvermijdelijk gepaard met een toename van de entropie:een klok heeft bijvoorbeeld een batterij nodig, waarvan de energie uiteindelijk wordt omgezet in wrijvingswarmte en hoorbaar tikken via de mechanica van de klok – een proces waarbij er ontstaat een redelijk geordende toestand, de batterij wordt omgezet in een nogal ongeordende toestand van warmtestraling en geluid.

Op basis hiervan kon het onderzoeksteam een ​​wiskundig model creëren waaraan in principe elke denkbare klok moet gehoorzamen. "Voor een gegeven toename van de entropie is er een afweging tussen tijdsresolutie en precisie", zegt Florian Meier, eerste auteur van het tweede artikel, nu geplaatst op de arXiv preprint-server. "Dat betekent:óf de klok werkt snel, óf hij werkt precies; beide zijn niet tegelijkertijd mogelijk."

Limieten voor kwantumcomputers

Dit besef brengt nu een natuurlijke limiet voor kwantumcomputers met zich mee:de resolutie en precisie die met klokken kan worden bereikt, beperkt de snelheid en betrouwbaarheid die met kwantumcomputers kan worden bereikt. "Op dit moment is dat geen probleem", zegt Huber.

“Momenteel wordt de nauwkeurigheid van kwantumcomputers nog steeds beperkt door andere factoren, bijvoorbeeld de precisie van de gebruikte componenten of elektromagnetische velden. Maar onze berekeningen laten ook zien dat we vandaag de dag niet ver verwijderd zijn van het regime waarin de fundamentele grenzen van tijdmeting spelen de beslissende rol."

Als de technologie van kwantuminformatieverwerking verder wordt verbeterd, zal men daarom onvermijdelijk te maken krijgen met het probleem van niet-optimale tijdmeting. Maar wie weet:misschien is dit precies hoe we iets interessants kunnen leren over de kwantumwereld.

Meer informatie: Florian Meier et al, Fundamentele afweging tussen nauwkeurigheid en resolutie voor tijdwaarnemingsapparatuur, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2301.05173

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

Aangeboden door de Technische Universiteit van Wenen