Meer dan spins

Onbekend terrein verkennen in quantumapparaten

De meeste quantumapparaten zijn gebaseerd op verzamelingen van qubits, ook wel spins genoemd. Deze quantumbits hebben slechts twee energieniveaus, de ‘0’ en de ‘1’. Spins in echte apparaten wisselwerken echter ook met licht en trillingen, bekend als bosonen, wat berekeningen enorm bemoeilijkt. In een nieuwe publicatie in Physical Review Letters tonen Amsterdamse onderzoekers een nieuwe manier om spin-bosonsystemen te beschrijven en die te gebruiken om quantumapparaten efficiënt te configureren in elke gewenste toestand.

Quantumapparaten gebruiken het bijzondere gedrag van quantumdeeltjes om taken uit te voeren die verder gaan dan wat ‘klassieke’ machines kunnen doen, waaronder quantumrekenen, 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.

Bosonen

Ongeacht hun fysieke realisatie worden quantumapparaten doorgaans in vereenvoudigde termen beschreven als een verzameling op elkaar inwerkende quantumbits op twee niveaus, of spins. Deze spins ondergaan echter ook interacties met andere verschijnselen in hun omgeving, zoals licht in supergeleidende circuits, of oscillaties in het rooster van atomen of ionen. Lichtdeeltjes (fotonen) en roostertrillingen (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. Hierdoor bestaat er een gebrek aan rekenmethodes voor het beschrijven van spins gekoppeld aan bosonen. In hun nieuwe publicatie overwinnen natuurkundigen Liam Bond, Arghavan Safavi-Naini en Jiří Minář van de Universiteit van Amsterdam, QuSoft en Centrum Wiskunde & Informatica deze beperking door spin-bosonsystemen te beschrijven met behulp van zogenaamde niet-Gaussische 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 quantumtoestand van het spin-bosonsysteem. “Een Gaussische toestand zou eruitzien als een rode cirkel, zonder interessante blauw-rode patronen”, legt promovendus Liam Bond uit. Een voorbeeld van een Gaussische toestand is laserlicht, waarin alle lichtgolven perfect synchroon bewegen. “Als we veel van deze Gaussische toestanden laten overlappen (zodat ze zich in een superpositie bevinden), ontstaan deze prachtig ingewikkelde patronen. We waren vooral enthousiast omdat we voor deze niet-Gaussische toestanden veel van het krachtige wiskundig gereedschap kunnen gebruiken dat bestaat voor Gaussische toestanden, terwijl we tegelijkertijd een veel diversere verzameling quantumtoestanden kunnen beschrijven.”

Bond vervolgt: “Er bestaan zóveel 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 patronen identificeert en de andere negeert. Hierdoor kunnen we deze quantumsystemen bestuderen en nieuwe manieren vinden om interessante quantumtoestanden te maken.”

Quantumtoestanden

De nieuwe aanpak kan worden benut om quantumtoestanden efficiënt te genereren, op een manier die beter presteert dan andere traditioneel gebruikte protocollen. “Het snel maken van een quantumtoestand kan nuttig zijn voor een breed scala aan toepassingen, zoals quantumsimulatie of zelfs quantumfoutcorrectie,” merkt Bond op. De onderzoekers laten ook zien dat ze niet-Gaussische toestanden kunnen gebruiken om ‘kritische’ quantumtoestanden te maken die overeenkomen met een systeem dat een faseovergang ondergaat. Naast het fundamentele belang hiervan kunnen dergelijke toestanden de gevoeligheid van quantumsensoren 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 spin. Een natuurlijke, maar uitdagende uitbreiding is om tegelijkertijd veel spins en veel bosonen in de berekeningen te kunnen opnemen. Een parallelle onderzoeksrichting is het rekening houden met verstoringen in spin-bosonsystemen van hun omgeving. Beide benaderingen zijn volop in ontwikkeling.

Publicatie

Liam J. Bond, Arghavan Safavi-Naini en Jiří Minář, Fast quantum state preparation and bath dynamics using non-Gaussian variational Ansatz and quantum optimal control. Physical Review Letters 132, 170401 (2024).

Bron: UvA/IoP nieuwsbericht door Jans Henke (overname met toestemming).