Het is natuurkundigen gelukt om een kwetsbare quantumtoestand in een quantumcomputer te stabiliseren. Daarvoor maakten ze gebruik van een zogeheten tijdkristal.
Tijdkristallen kunnen de kwetsbare toestanden in quantumcomputers stabiel houden. Deze stabilisering is noodzakelijk om zulke computers in de praktijk te laten functioneren.
Natuurwetten schenden
Het idee van tijdkristallen kwam in 2012 uit de koker van Nobelprijswinnaar Frank Wilczek. Kristallen zijn materialen waarvan de atoomstructuur zich herhaalt in de ruimte. Wilczek opperde dat er ook kristallen konden bestaan met patronen die zich niet in de ruimte herhalen, maar in de tijd. Het patroon van zo’n kristal zou dus veranderen, en na een periode weer terugvallen naar de oorspronkelijke toestand. Dat proces zou zich oneindig vaak herhalen.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Veel fysici twijfelden aan het bestaan van tijdkristallen, omdat ze oneindig vaak tussen toestanden heen en weer schakelen zonder dat ze daarbij energie verbruiken. Dat lijkt de wetten van de natuurkunde te schenden.
Toch hebben verschillende onderzoeksgroepen sindsdien tijdkristallen gemaakt in het laboratorium, waaronder in een quantumcomputer. Natuurkundige Biao Huang van de Universiteit van de Chinese Academie van Wetenschappen en zijn collega’s hebben nu een tijdkristal gebruikt om een soort stabiele zone in hun quantumcomputer te maken.
Qubits
De qubits in Huangs quantumcomputer zijn gemaakt van piepkleine elektronische circuits die perfect elektriciteit geleiden. De onderzoekers kunnen deze aansturen met microgolven.
In tegenstelling tot gewone computers, waarin bits een waarde van 1 of 0 hebben, kunnen de qubits door hun quantumeigenschappen gelijktijdig 1 en 0 zijn. Huang vergelijkt dit gedrag met dat van het beroemde gedachte-experiment van Schrödingers kat. Die kat is gelijktijdig dood én levend, totdat iemand hem bekijkt en zijn toestand vastlegt.
GHZ-toestand
De onderzoekers brachten de qubits in een speciale toestand genaamd de GHZ-toestand. In die toestand zijn alle qubits onlosmakelijk met elkaar verbonden door quantumverstrengeling.
Door steeds grotere GHZ-toestanden te maken – dus steeds meer qubits te verstrengelen – kunnen onderzoekers meer leren over hoe quantumeffecten verdwijnen bij grotere objecten. Daarnaast is het nuttig omdat quantumverstrengeling een noodzakelijk ingrediënt is voor quantumcomputers en hun communicatietoepassingen, zegt Huang.
Eerdere experimenten toonden echter aan dat hoe meer qubits zich bij de GHZ-toestand voegen, hoe kwetsbaarder deze wordt. De kleinste verstoring in de quantumcomputer kan de hele toestand dan laten instorten.
Stabiele zone
De onderzoekers wisten ervoor te zorgen dat hun computer zo weinig verstoringen had, dat ze een GHZ-toestand konden maken met een recordgrootte van 60 qubits. Dat zijn er 28 meer dan de vorige recordhouder.
Om dit voor elkaar te krijgen, gebruikten de onderzoekers een tijdkristal. Ze stuurden een specifieke reeks microgolven af op de qubits. Elke golf veranderde de toestand van de qubits, of liet ze met elkaar interageren. De microgolfpulsen brachten de qubits ook in precies de juiste toestand om hun eigenschappen in de tijd te laten oscilleren, en dus een tijdkristal te vormen.
‘We gebruikten de structuur van het tijdkristal om een ‘veilig thuis’ te bouwen waarin de fragiele GHZ-toestanden konden worden ondergebracht’, zegt Huang.
Praktische waarde
‘Voor zover we weten is dit de eerste praktische toepassing van een tijdkristal. Dit werk bewijst dat tijdkristallen niet alleen conceptueel interessant zijn, maar ook praktische waarde hebben’, aldus Huang.
De microgolven leidden wel tot fouten in het systeem. Daardoor bevatte de GHZ-toestand in het tijdkristal 36 qubits in plaats van 60. Huang wijst erop dat de toestand van die 36 qubits wel minder fragiel was dan voorheen.
Het tijdkristal schermt verstoringen af die gewoonlijk de GHZ-toestand zouden laten instorten, zegt natuurkundige Francisco Machado van de Harvard-universiteit. Hoewel tijdkristallen al eerder in quantumcomputers waren gemaakt, hebben deze onderzoekers een nieuw proces gebruikt om het te gebruiken om de GHZ-toestand te stabiliseren, zegt hij.
‘Dit is zeer indrukwekkend experimenteel werk, en het laat grote technische vooruitgang zien’, zegt ook quantumexpert Mario Krenn van het Max Planck-instituut voor Lichtwetenschap in Duitsland.
