ENGINEERINGNET.BE - Quantumapparaten worden doorgaans in vereenvoudigde termen beschreven als een verzameling op elkaar inwerkende quantumbits 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, een 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 studie overwinnen natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam, QuSoft en het Centrum Wiskunde & Informatica deze beperking door spin-bosonsystemen te beschrijven met behulp van zogenaamde niet-Gaussische toestanden.
Elke niet-Gaussische toestand is een combinatie, ofwel een superpositie, van veel eenvoudigere Gaussische toestanden.
Een voorbeeld van een Gaussische toestand is laserlicht, waarin alle lichtgolven perfect synchroon bewegen. “Als we veel van deze Gaussische toestanden laten overlappen, ontstaan prachtig ingewikkelde patronen", aldus promovendus Liam Bond.
"Voor deze niet-Gaussische toestanden kunnen we veel van het krachtige wiskundig gereedschap gebruiken dat bestaat voor Gaussische toestanden, terwijl we tegelijkertijd een veel diversere verzameling quantumtoestanden kunnen beschrijven.”
Bond: “Er bestaan zóveel mogelijke patronen, vandaar dat we een methode gebruiken die de belangrijkste patronen identificeert en de andere negeert. Hierdoor kunnen we deze quantumsystemen bestuderen en nieuwe manieren vinden om interessante quantumtoestanden te maken.”
De nieuwe aanpak is te benutten 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 quantumfoutcorrectie”, aldus Bond.
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. Dergelijke toestanden kunnen de gevoeligheid van quantumsensoren aanzienlijk vergroten.
Tot nu toe is de methode gedemonstreerd voor een enkele spin. Een uitdagende uitbreiding is om 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.
