Hvad kaffe med fløde kan lære os om kvantefysik

Tilføj en sjat flødekande til din morgenkaffe, og skyer af hvid væske vil hvirvle rundt om din kop. Men giv det et par sekunder, og de hvirvler forsvinder og efterlader dig med et almindeligt krus brun væske.

Noget lignende sker i kvantecomputerchips – enheder, der udnytter universets mærkelige egenskaber i dets mindste skalaer – hvor information hurtigt kan blandes sammen, hvilket begrænser disse værktøjers hukommelseskapacitet.

Det behøver ikke at være tilfældet, sagde Rahul Nandkishore, lektor i fysik ved University of Colorado Boulder.

I et nyt kup for teoretisk fysik har han og hans kolleger brugt matematik til at vise, at forskere i det væsentlige kunne skabe et scenarie, hvor mælk og kaffe aldrig blandes – uanset hvor hårdt du rører dem.

Gruppens resultater kan føre til nye fremskridt inden for kvantecomputerchips, hvilket potentielt giver ingeniører nye måder at gemme information på i utroligt små objekter.

"Tænk på de indledende hvirvlende mønstre, der vises, når du tilføjer fløde til din morgenkaffe," sagde Nandkishore, seniorforfatter af den nye undersøgelse. "Tænk, hvis disse mønstre fortsatte med at hvirvle og danse, uanset hvor længe du så."

Forskere mangler stadig at køre eksperimenter i laboratoriet for at sikre, at disse uendelige hvirvler virkelig er mulige. Men gruppens resultater er et stort skridt fremad for fysikere, der søger at skabe materialer, der forbliver ude af balance eller ligevægt i lange perioder – en stræben kendt som "ergodicity breaking."

Holdets resultater blev offentliggjort i denne uge i det seneste nummer af Physical Review Letters .

Kvantehukommelse

Undersøgelsen, som omfatter medforfatterne David Stephen og Oliver Hart, postdoc-forskere i fysik ved CU Boulder, afhænger af et almindeligt problem inden for kvanteberegning.

Normale computere kører på "bits", som har form af nuller eller ettaller. Nandkishore forklarede, at kvantecomputere derimod anvender "qubits", som kan eksistere som nul, én eller, gennem kvantefysikkens mærkelighed, nul og én på samme tid. Ingeniører har lavet qubits ud af en lang række ting, inklusive individuelle atomer fanget af lasere eller små enheder kaldet superledere.

Men ligesom den kop kaffe kan qubits nemt blive blandet sammen. Hvis du f.eks. vender alle dine qubits til én, vil de til sidst vende frem og tilbage, indtil hele chippen bliver et uorganiseret rod.

I den nye forskning kan Nandkishore og hans kolleger have fundet en vej rundt om denne tendens til at blande. Gruppen beregnede, at hvis videnskabsmænd arrangerer qubits i bestemte mønstre, vil disse samlinger beholde deres information - også selvom du forstyrrer dem ved hjælp af et magnetfelt eller en lignende forstyrrelse. Det kunne, sagde fysikeren, give ingeniører mulighed for at bygge enheder med en slags kvantehukommelse.

"Dette kunne være en måde at gemme information på," sagde han. "Du ville skrive information ind i disse mønstre, og informationen kunne ikke forringes."

At udnytte geometrien

I undersøgelsen brugte forskerne matematiske modelleringsværktøjer til at forestille sig en række af hundreder til tusinder af qubits arrangeret i et skakbrætlignende mønster.

Tricket, opdagede de, var at stoppe qubits til et trangt sted. Hvis qubits kommer tæt nok sammen, forklarede Nadkishore, kan de påvirke deres naboers adfærd, næsten som en flok mennesker, der forsøger at presse sig selv ind i en telefonboks. Nogle af disse mennesker står måske oprejst eller på hovedet, men de kan ikke vende den anden vej uden at skubbe på alle andre.

Forskerne beregnede, at hvis de arrangerede disse mønstre på den helt rigtige måde, ville disse mønstre måske flyde rundt om en kvantecomputerchip og aldrig nedbrydes - ligesom de flødeskyer, der hvirvler for evigt i din kaffe.

"Det vidunderlige ved denne undersøgelse er, at vi opdagede, at vi kunne forstå dette grundlæggende fænomen gennem, hvad der er næsten simpel geometri," sagde Nandkishore.

Holdets resultater kunne påvirke meget mere end blot kvantecomputere.

Nandkishore forklarede, at næsten alt i universet, fra kopper kaffe til store oceaner, har en tendens til at bevæge sig mod det, forskerne kalder "termisk ligevægt." Hvis du f.eks. taber en isterning i dit krus, vil varme fra din kaffe smelte isen og til sidst danne en væske med en ensartet temperatur.

Hans nye resultater slutter sig dog til en voksende mængde forskning, der tyder på, at nogle små stoforganisationer kan modstå denne ligevægt - tilsyneladende bryder nogle af universets mest uforanderlige love.

"Vi bliver ikke nødt til at lave vores matematik om for is og vand," sagde Nandkishore. "Matematikken, som vi kalder statistisk fysik, er utrolig vellykket til at beskrive ting, vi møder i hverdagen. Men der er indstillinger, hvor det måske ikke gælder."

Flere oplysninger: David T. Stephen et al., Ergodicity Breaking Proably Robust to Arbitrary Perturbations, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.040401. PåarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.03966

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af University of Colorado at Boulder