Een quantumfenomeen dat een maas in de wet van oorzaak en gevolg benut, kan quantumcomputers verbeteren.
Quantumcomputers kunnen gewone computers overtreffen door de regels van oorzaak en gevolg te omzeilen. Daarvoor hebben ze een ‘quantumschakelaar’ nodig.
‘We waren benieuwd hoe we de grenzen van quantumcomputers konden verleggen om ze nog krachtiger te maken’, zegt natuurkundige Mingrui Jing van de Hong Kong University of Science and Technology. Met zijn collega’s wendde hij zich daarom tot een vreemd fenomeen, een zogeheten ‘quantumschakelaar’, dat het idee van causaliteit op de proef stelt.
‘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.
De wet van oorzaak en gevolg stelt dat als gebeurtenis A gebeurtenis B veroorzaakt, gebeurtenis B niet gebeurtenis A kan hebben veroorzaakt. Maar in 2009 bedachten onderzoekers dat een quantumschakelaar ervoor kan zorgen dat ‘A veroorzaakt B’ en ‘B veroorzaakt A’ allebei tegelijk waar zijn in een systeem. In een dergelijke situatie treedt een zogeheten ‘onbepaalde causale volgorde’ op.
Bij een experiment uit 2017 is dit fenomeen ook echt waargenomen. Onderzoekers implementeerden een quantumschakelaar door een lichtdeeltje door een reeks spiegels en lenzen te laten bewegen. Uiteindelijk was het onmogelijk om te zeggen welke volgorde van gebeurtenissen het licht naar zijn eindtoestand had gebracht.
Rekenen zonder volgorde
In het geval van quantumcomputers zijn ‘gebeurtenissen A en B’ stappen in een berekening. Het is alsof een computer een bewerking zoals aftrekken of delen wil uitvoeren, zonder te weten welk getal het eerst in de vergelijking opduikt.
Jing en zijn collega’s hebben een wiskundig model opgesteld voor deze situatie. Ze keken naar ‘qubits’, de quantumversie van de gewone computerbits, en gebruikten hun model om te berekenen hoe een bepaalde eigenschap van qubits verandert als je er een quantumschakelaar toepast.
De eigenschap waar het om gaat, staat bekend als de ‘magie’ van de qubits. Qubits met een hoog magiegehalte ‘zijn als superbrandstof voor quantumcomputers. Ze kunnen ze helpen om problemen op te lossen die te complex zijn voor gewone computers’, aldus Jing. Het opvoeren van de magie van de qubits maakt een quantumcomputer dus krachtiger. De onderzoekers ontdekten dat de quantumschakelaar de nodige magieboost geeft.
Sommige berekeningen die een quantumcomputer kan uitvoeren, zijn gemakkelijk te simuleren op gewone computers. Dat suggereert dat je er helemaal geen quantumcomputer voor nodig hebt. Maar de onderzoekers toonden aan dat de magie van deze berekeningen toeneemt in combinatie met een quantumschakelaar. Daardoor kan de quantumcomputer berekeningen uitvoeren die een klassieke computer niet kan.
Nuttige bouwsteen
Natuurkundige Carlo Maria Scandolo van de Universiteit van Calgary in Canada zegt natuurkundigen al wisten dat de quantumschakelaar een nuttige bouwsteen kan zijn voor apparaten die nauwkeurige metingen doen van quantumeigenschappen, of die quantumprocessen benutten, zoals piepkleine quantummotoren. ‘Dit is weer een voorbeeld waarin de quantumschakelaar ons in staat stelt om dingen te doen die we anders niet zouden kunnen doen’, zegt hij.
Scandolo zegt echter dat het daadwerkelijk toepassen van dit idee in een quantumcomputer lastig kan zijn. Misschien is het niet mogelijk om een quantumschakelaar te bouwen die alle bewerkingen van de computer tegelijkertijd beïnvloedt. Dat maakt het nut ervan beperkt.
Maar Jing is optimistisch. Hij denkt dat sommige aspecten binnenkort in experimenten getest kunnen worden. Hij wil het idee zelf toepassen op qubits gemaakt van lichtdeeltjes, die al eerder zijn gebruikt om een quantumschakelaar te testen.
Daarnaast wil het team dieper de theorie in duiken. ‘We kunnen proberen een betere theorie op te stellen over volgordes, tijd [en] informatiestromen in de quantumwereld’, zegt hij.
