Nieuwe aggregatietoestand gedraagt zich alsof er twee tijdsdimensies zijn

Om tot stabielere kwantumcomputers te komen hebben natuurkundigen een toestand gecreëerd die de voordelen van twee tijdsdimensies heeft, maar zich op één tijdlijn bevindt.

Om tot stabielere kwantumcomputers te komen hebben natuurkundigen een toestand gecreëerd die de voordelen van twee tijdsdimensies heeft, maar zich op één tijdlijn bevindt.

Shutterstock

Stel je een map met documenten voor, waar je telkens één document aan toevoegt. Op een gegeven moment passen er geen papieren meer bij.

Stel je nu voor dat dezelfde map plotseling ruimte heeft voor twee keer zo veel papier, zonder dat de map groter is geworden of de documenten kleiner. De map ‘leent’ plek van een onzichtbare extra map.

Stel je vervolgens voor dat de map niet in de ruimte, maar in de tijd bestaat.

Duizelt het je al?

Zoiets deed een team wetenschappers van meerdere Amerikaanse universiteiten. Ze creëerden een nieuwe aggregatietoestand (verschijningsvorm van materie, zoals vloeibaar of gasvormig), waarin de atomen zich gedragen alsof ze zich tegelijk in twee tijdsdimensies bevinden.

Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Stabiele kwantumcomputers

De nieuwe toestand moet kwantumcomputers stabieler maken, want hun kwetsbaarheid is een van de redenen dat ze nog niet zo veel gebruikt worden.

Een klassieke computer werkt met bits (de fundamentele eenheid van informatie), en een kwantumcomputer met kwantumbits of qubits. Dat zijn een soort atomen met data.

Gewone computerbits verwerken informatie in de toestand 1 of 0. Maar qubits kunnen de waarde 1, 0 of allebei tegelijk aannemen. Ze kunnen dus gelijktijdig meerdere waarden hebben.

Dit wordt superpositie genoemd, en het zorgt ervoor dat een stroom meerdere kanten tegelijk op kan lopen: het geheim achter de kracht van kwantumcomputers.

Een probleem met qubits is echter dat het moeilijk is om ze in de kwantumtoestand te houden, waarbij ze meerdere waarden tegelijk hebben. Daardoor ontstaan er fouten bij kwantumcomputers.

Rij van Fibonacci geeft nieuwe toestand

Een manier om qubits stabieler te maken, is ze te bestoken met een pulserende laser, wat de wetenschappers gedaan hebben.

Rij van Fibonacci

In de rij van Fibonacci is elk getal de som van de twee voorgaande getallen. Beschrijvingen van deze reeks vinden we al in de 2e eeuw v.Chr. bij Indische wiskundigen, maar hij is genoemd naar de middeleeuwse Italiaanse wiskundige Leonardo Fibonacci. Als je een grafiek maakt van de reeks, ontstaat er een spiraal, waaruit de gulden snede af te lezen is.

© Shutterstock

De puls van de laser creëert zogeheten tijdssymmetrieën, stabiele patronen die qubits vasthouden en ze beter bestand maken tegen veranderingen. Maar na korte tijd verliezen ze hun kwantumeigenschappen.

De onderzoekers waren op zoek naar een manier om qubits langere tijd hun kwantumeigenschappen te laten behouden.

De puls van de laser heeft een ritme dat in de tijd beweegt. De onderzoekers wilden een extra tijdssymmetrie toevoegen aan dezelfde laserpulse.

Om deze ‘extra’ tijd te introduceren, probeerden de wetenschappers een geordend ritme te creëren dat zichzelf niet herhaalde.

Ze haalden hun inspiratie uit de rij van Fibonacci, waarbij elk getal de som van de twee voorgaande is. Dat is dus een systeem waarbij een reeks getallen opgebouwd wordt, die tegelijk een getalreeks vormt die zichzelf nooit herhaalt.

Bij de eerste test schoten ze met een gewone laserstraal op een kwantumcomputer met atomen. Die bleef zo’n 1,5 seconde in kwantumtoestand, wat best lang is.

Bij de tweede test werd de Fibonacci-laserpuls afgevuurd, en het systeem bleef 5,5 seconde in kwantumtoestand – een eeuwigheid voor een kwantumcomputer.

Atomen kwantumcomputer laser

In deze kwantumcomputer creëerden natuurkundigen een aggregatietoestand die het doet voorkomen alsof de tijd twee dimensies heeft. Deze toestand kan kwantuminformatie langere tijd goed houden dan de huidige methoden. Hij maakt de qubits die kwantumcomputers aandrijven robuuster.

© Quantinuum

Het is lastig om het je voor te stellen, maar omdat de atomen werden gebombardeerd met een laserstraal die in feite tegelijkertijd twee ritmes had, ontstond er een extra tijdssymmetrie uit een niet-bestaande tijdsdimensie.

De atomen kregen nieuwe eigenschappen uit een extra tijdsdimensie, waardoor ze beter beschermd werden en langer in hun kwantumtoestand bleven.

Nu moet deze ‘dubbeltijdstoestand’ geïmplementeerd worden in een functionele kwantumcomputer.