Masterligning til at booste kvanteteknologier

Efterhånden som størrelsen af ​​moderne teknologi skrumper ned til nanoskalaen, bliver mærkelige kvanteeffekter – såsom kvantetunnelering, superposition og sammenfiltring – fremtrædende. Dette åbner døren til en ny æra af kvanteteknologier, hvor kvanteeffekter kan udnyttes. Mange hverdagsteknologier gør rutinemæssigt brug af feedbackkontrol; et vigtigt eksempel er pacemakeren, som kun skal overvåge brugerens hjerteslag og tilføre elektriske signaler for at kontrollere det, når det er nødvendigt. Men fysikere har endnu ikke en tilsvarende forståelse af feedbackkontrol på kvanteniveau. Nu har fysikere udviklet en "mesterligning", der vil hjælpe ingeniører med at forstå feedback på kvanteskalaen. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters .

"Det er afgørende at undersøge, hvordan feedbackstyring kan bruges i kvanteteknologier for at udvikle effektive og hurtige metoder til styring af kvantesystemer, så de kan styres i realtid og med høj præcision," siger medforfatter Björn Annby- Andersson, en kvantefysiker ved Lunds Universitet, i Sverige.

Et eksempel på en afgørende feedback-kontrolproces i kvanteberegning er kvantefejlkorrektion. En kvantecomputer koder information om fysiske qubits, som for eksempel kunne være fotoner af lys eller atomer. Men qubitternes kvanteegenskaber er skrøbelige, så det er sandsynligt, at den kodede information vil gå tabt, hvis qubitterne forstyrres af vibrationer eller fluktuerende elektromagnetiske felter. Det betyder, at fysikere skal være i stand til at opdage og rette sådanne fejl, for eksempel ved at bruge feedbackkontrol. Denne fejlkorrektion kan implementeres ved at måle tilstanden af ​​qubits og, hvis der opdages en afvigelse fra det forventede, anvende feedback for at rette den.

Men feedbackkontrol på kvanteniveau giver unikke udfordringer, netop på grund af den skrøbelighed, fysikere forsøger at afbøde. Den sarte natur betyder, at selv feedbackprocessen i sig selv kan ødelægge systemet. "Det er nødvendigt kun at interagere svagt med det målte system og bevare de egenskaber, vi ønsker at udnytte," siger Annby-Andersson.

Det er derfor vigtigt at udvikle en fuldstændig teoretisk forståelse af kvantefeedback-kontrol for at etablere dens grundlæggende grænser. Men de fleste eksisterende teoretiske modeller for kvantefeedback-kontrol kræver computersimuleringer, som typisk kun giver kvantitative resultater for specifikke systemer. "Det er svært at drage generelle, kvalitative konklusioner," siger Annby-Andersson. "De få modeller, der kan give kvalitativ forståelse, er kun anvendelige på en snæver klasse af feedback-kontrollerede systemer - denne type feedback omtales typisk som lineær feedback."

'Pen og papir'

Annby-Andersson og hans kolleger har nu udviklet en mesterligning, kaldet en "Quantum Fokker-Planck-ligning", der gør det muligt for fysikere at spore udviklingen af ​​ethvert kvantesystem med feedbackkontrol over tid. "Ligningen kan beskrive scenarier, der går ud over lineær feedback," siger Annby-Andersson. "Især ligningen kan løses med pen og papir i stedet for at skulle stole på computersimuleringer."

Holdet testede deres ligning ved at anvende den på en simpel feedbackmodel. Dette bekræftede, at ligningen giver fysisk fornuftige resultater og demonstrerede også, hvordan energi kan høstes i mikroskopiske systemer ved hjælp af feedbackkontrol. "Ligningen er et lovende udgangspunkt for fremtidige undersøgelser af, hvordan energi kan manipuleres ved hjælp af information på mikroskopisk niveau," siger Annby-Andersson.

Holdet undersøger nu et system, der gør brug af feedback til at manipulere energi i "kvanteprikker" - små halvledende krystaller på kun milliardtedele af en meter på tværs. "En vigtig fremtidig retning er at bruge ligningen som et værktøj til at opfinde nye feedback-protokoller, der kan bruges til kvanteteknologier," siger Annby-Andersson. + Udforsk yderligere

Quantum computer fungerer med mere end nul og én