Oxford-fysici zien kwantumeffect uit 1959 terug in hybride kwantumcomputer

In 1959 voorspelden de natuurkundigen Yakir Aharonov en David Bohm iets vreemds: een geladen deeltje dat om een magnetisch veld heen reist, zonder er ooit doorheen te gaan, verandert toch meetbaar van gedrag. Dat effect is sindsdien bevestigd met elektronen in het lab. Onderzoekers van de Universiteit van Oxford hebben het nu voor het eerst zichtbaar gemaakt in een heel andere omgeving: een kwantumsimulatie van een zogeheten roostergaugetheorie, een wiskundig model dat natuurkundigen gebruiken om deeltjes en krachtvelden te beschrijven op de kleinste schaal.

Waarom dit moeilijk is voor gewone computers

Roostergaugetheorieën zijn belangrijk in de deeltjesfysica, maar extreem lastig te berekenen. Materie zit op de punten van een denkbeeldig rooster, en de krachtvelden leven op de verbindingen daartussen. Hoe groter het systeem, hoe onmogelijker het wordt om alles door te rekenen op een klassieke computer. Kwantumcomputers bieden een uitweg: in plaats van het gedrag uit te rekenen, bouwen onderzoekers een fysiek systeem dat zich volgens dezelfde kwantumregels gedraagt en kijken ze gewoon wat er gebeurt.

Gevangen ionen spelen twee rollen

Het team, onder leiding van Sebastian Saner en Oana Bazavan, werkte samen met collega's van het Instituto de Física Teórica in Madrid. Ze gebruikten een ionenval waarin gevangen ionen twee verschillende rollen vervullen. De interne toestanden van de ionen fungeerden als qubits en stelden de krachtvelden voor. De trillingen van diezelfde ionen, ofwel kwantumoscillatoren, stelden de materie voor. Samen vormden twee van elk een lus: het kleinste bouwblokje van de theorie.

Vervolgens brachten de onderzoekers de twee qubits in een verstrengelde toestand. In de taal van de theorie komt dat overeen met een magnetische flux die door de lus steekt. Dat de onderzoekers de flux in de qubits zelf programmeerden, was oorspronkelijk een praktische noodoplossing omdat hun apparatuur geen vaste achtergrondflux kon opwekken. Die omweg bleek achteraf juist interessanter: de materie en het krachtveld werden onderdeel van dezelfde dynamische kwantumbeweging, in plaats van dat de materie zich simpelweg door een vaste achtergrond bewoog.

Tunneling die stopt door interferentie

Zonder flux kon een deeltje vrij tussen de twee punten van de lus heen en weer tunnelen. Met de flux erbij gingen de twee mogelijke paden rond de lus elkaar tegenwerken, een vorm van destructieve interferentie. Het resultaat: het tunnelen stopte volledig en het systeem bleef vastzitten in zijn beginstand. Daarmee demonstreerden de onderzoekers het Aharonov-Bohm-effect in een dynamische omgeving, iets wat nooit eerder is gelukt.

In hetzelfde nummer van Nature Physics publiceerde een groep van de Universiteit van Maryland, onder leiding van Norbert Linke, een vergelijkbare hybride simulatie van de Yukawa-potentiaal, een kracht die een rol speelt in de kern- en deeltjesfysica. Beide onderzoeken onderschrijven de belofte van hybride kwantumcomputers voor het doorgronden van natuurkrachten die klassieke computers simpelweg niet aankunnen.