Wat koffie met room ons kan leren over de kwantumfysica

By | January 25, 2024

Dit artikel is beoordeeld in overeenstemming met het redactionele proces en de richtlijnen van Science X. De redactie heeft de volgende kenmerken benadrukt en tegelijkertijd de geloofwaardigheid van de inhoud gewaarborgd:

op feiten gecontroleerd

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

Proeflezen


In het huidige onderzoek gebruikten Nandkishore en zijn collega’s wiskundige hulpmiddelen om een ​​schaakbordpatroon van theoretische qubits voor te stellen. Het team ontdekte dat als ze deze nullen en enen correct rangschikten, de patronen over het schaakbord konden vloeien, maar misschien nooit helemaal zouden verdwijnen. Credit: Lichamelijke onderzoeksbrieven (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.040401

× dichtbij


In het huidige onderzoek gebruikten Nandkishore en zijn collega’s wiskundige hulpmiddelen om een ​​schaakbordpatroon van theoretische qubits voor te stellen. Het team ontdekte dat als ze deze nullen en enen correct rangschikten, de patronen over het schaakbord konden vloeien, maar misschien nooit helemaal zouden verdwijnen. Credit: Lichamelijke onderzoeksbrieven (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.040401

Voeg een scheutje melk toe aan uw ochtendkoffie en er zullen wolken witte vloeistof rond uw kopje dwarrelen. Maar geef het een paar seconden en de wervelingen zullen verdwijnen en je houdt een gewone kop bruine vloeistof over.

Iets soortgelijks gebeurt met quantumcomputerchips – apparaten die op de kleinste schaal gebruik maken van de vreemde eigenschappen van het universum – waar informatie snel door elkaar kan raken, waardoor de opslagcapaciteit van deze tools wordt beperkt.

Dat hoeft niet het geval te zijn, zegt Rahul Nandkishore, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Colorado Boulder.

In een nieuwe coup in de theoretische natuurkunde hebben hij en zijn collega’s de wiskunde gebruikt om aan te tonen dat wetenschappers in wezen een scenario zouden kunnen creëren waarin melk en koffie nooit samengaan – hoe hard je ze ook roert.

De bevindingen van de groep zouden kunnen leiden tot nieuwe ontwikkelingen op het gebied van quantumcomputerchips, waardoor ingenieurs mogelijk nieuwe manieren krijgen om informatie in ongelooflijk kleine objecten op te slaan.

“Denk eens aan de eerste wervelpatronen die optreden als je room aan je ochtendkoffie toevoegt”, zegt Nandkishore, hoofdauteur van de nieuwe studie. “Stel je voor dat deze patronen bleven wervelen en dansen, hoe lang je ook keek.”

Onderzoekers moeten nog steeds experimenten in het laboratorium uitvoeren om ervoor te zorgen dat deze eindeloze draaikolken echt mogelijk zijn. Maar de bevindingen van de groep vertegenwoordigen een grote vooruitgang voor natuurkundigen die materialen willen creëren die gedurende langere perioden uit evenwicht blijven – een poging die bekend staat als ‘ergodiciteitsbreken’.

De bevindingen van het team zijn deze week gepubliceerd in het laatste nummer van Lichamelijke onderzoeksbrieven.

Kwantumgeheugen

De studie, waarbij co-auteurs David Stephen en Oliver Hart betrokken zijn, postdoctorale onderzoekers in de natuurkunde aan CU Boulder, is gebaseerd op een veel voorkomend probleem in quantum computing.

Normale computers draaien op ‘bits’, die de vorm hebben van nullen of enen. Nandkishore legde uit dat kwantumcomputers daarentegen ‘qubits’ gebruiken, die kunnen bestaan ​​als nul, één, of, vanwege de vreemdheid van de kwantumfysica, nul en één tegelijk. Ingenieurs hebben van allerlei dingen qubits gemaakt, waaronder individuele atomen die zijn opgevangen door lasers of kleine apparaten die supergeleiders worden genoemd.

Maar net als dat kopje koffie kunnen qubits gemakkelijk verward worden. Als je bijvoorbeeld al je qubits in één verandert, zullen ze uiteindelijk heen en weer bewegen totdat de hele chip een ongeorganiseerde puinhoop wordt.

In het nieuwe onderzoek hebben Nandkishore en zijn collega’s mogelijk een manier gevonden om deze neiging tot mixen te omzeilen. De groep heeft berekend dat wanneer wetenschappers qubits in specifieke patronen rangschikken, deze collecties hun informatie behouden – zelfs als ze worden verstoord door een magnetisch veld of soortgelijke verstoring. Volgens de natuurkundige zou dit ingenieurs in staat kunnen stellen apparaten te bouwen met een soort kwantumgeheugen.

“Dit zou een manier kunnen zijn om informatie op te slaan,” zei hij. “Je zou informatie in deze patronen schrijven, en de informatie kon niet in gevaar worden gebracht.”

Open de geometrie

In het onderzoek gebruikten onderzoekers wiskundige modelleringstools om een ​​reeks van honderden tot duizenden qubits voor te stellen, gerangschikt in een schaakbordachtig patroon.

Ze ontdekten dat het de truc was om de qubits op een krappe plek te proppen. Wanneer qubits dicht genoeg bij elkaar komen, legt Nadkishore uit, kunnen ze het gedrag van hun buren beïnvloeden, bijna zoals een menigte zich in een telefooncel probeert te wringen. Sommige van deze mensen staan ​​misschien rechtop of ondersteboven, maar ze kunnen niet de andere kant op draaien zonder tegen iedereen aan te botsen.

De onderzoekers berekenden dat als ze deze patronen precies goed op een rij zouden zetten, ze rond een kwantumcomputerchip zouden kunnen vloeien en nooit zouden uiteenvallen – net zoals de roomwolken die voor altijd in je koffie ronddwarrelen.

“Het mooie van dit onderzoek is dat we ontdekten dat we dit fundamentele fenomeen kunnen begrijpen door middel van bijna eenvoudige geometrie”, zegt Nandkishore.

De bevindingen van het team kunnen van invloed zijn op veel meer dan alleen quantum computing.

Nandkishore legde uit dat bijna alles in het universum, van kopjes koffie tot uitgestrekte oceanen, de neiging heeft zich aan te passen aan wat wetenschappers ‘thermisch evenwicht’ noemen. Als u bijvoorbeeld een ijsblokje in uw kopje laat vallen, zal de hitte van uw koffie het ijs doen smelten en uiteindelijk een vloeistof met een uniforme temperatuur vormen.

Maar zijn nieuwe bevindingen dragen bij aan een groeiende hoeveelheid onderzoek waaruit blijkt dat sommige kleine organisaties van materie dit evenwicht kunnen weerstaan ​​- en daarmee enkele van de meest onveranderlijke wetten van het universum lijken te overtreden.

“We hoeven onze berekeningen voor ijs en water niet te herhalen,” zei Nandkishore. “Het vakgebied van de wiskunde dat we statistische natuurkunde noemen, is ongelooflijk succesvol in het beschrijven van dingen die we in het dagelijks leven tegenkomen. Maar er zijn situaties waarin het misschien niet van toepassing is.”

Meer informatie:
David T. Stephen et al, Ergocity Breaking Provably Robuust tot opzettelijke verstoringen, Lichamelijke onderzoeksbrieven (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.040401. BijarXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2209.03966

Tijdschriftinformatie:
Lichamelijke onderzoeksbrieven

arXiv

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *