Zeitkristalle könnten eine radikal neue Zukunft für Quantencomputer eröffnen: ScienceAlert

Der Weg zur Quantenüberlegenheit wird durch eine fantasievolle Herausforderung erschwert: Wie hebt man eine Wolke an, ohne ihre Form zu verändern?

Die mögliche Lösung erscheint ebenso phantasievoll wie das Problem selbst. Sie können die Wolke dazu bringen, zu tanzen, während sie sich bewegt, im Rhythmus einer einzigartigen Substanz, die als Zeitkristall bekannt ist.

Krzysztof Giergiel und Krzysztof Sacha von der Jagiellonen-Universität in Polen sowie Peter Hannaford von der Swinburne University of Technology in Australien schlagen vor, dass eine neue Art von „Zeit“-Kreislauf der Aufgabe gewachsen sein könnte, die mysteriösen Zustände der Qubits zu bewahren, während sie durch die Stürme getragen werden des Universums. Quantenlogik.

Im Gegensatz zu Beschreibungen von Objekten, die klar definierte Positionen und Bewegungen haben, beschreibt die Quantenperspektive desselben Teilchens Merkmale wie seine Position, seinen Impuls und seinen Spin als eine Unschärfe von Möglichkeiten.

Diese „Wolke“ von Möglichkeiten lässt sich am besten verstehen, wenn man sie isoliert. Sobald ein Teilchen mit seiner Umgebung interagiert, ändert sich die Streuung seiner Wahrscheinlichkeiten, so wie die Chancen, dass ein Läufer den 100-Meter-Lauf bei den Olympischen Spielen gewinnt, bis wir am Ende nur noch ein Ergebnis beobachten.

So wie ein klassischer Computer binäre Zustände von Teilchen als „Ein-Aus“-Schalter in Logikgattern nutzen kann, könnten Quantencomputer theoretisch die Ausbreitung von Unsicherheiten in Teilchen ausnutzen, um schnell eigene Arten von Algorithmen zu lösen, von denen viele unpraktisch oder sogar unpraktisch wären unmöglich auf altmodische Weise zu lösen.

Die Herausforderung besteht darin, diese Quantenwolke der Möglichkeiten – sogenannte Qubits – so lange wie möglich zusammenzuhalten. Mit jedem Stoß, jeder elektromagnetischen Brise steigt das Risiko von Fehlern bei der Zahlenverarbeitung.

Praktische Quantencomputer benötigen Hunderte, wenn nicht Tausende von Qubits, um über lange Zeiträume intakt zu bleiben, was ein großes System zu einer enormen Herausforderung macht.

Forscher haben nach verschiedenen Möglichkeiten gesucht, Quantencomputer leistungsfähiger zu machen, indem sie entweder einzelne Qubits sperrten, um sie vor Dekohärenz zu schützen, oder indem sie Sicherheitsnetze um sie herum errichteten.

Jetzt haben die Physiker Gergel, Sasha und Hannaford einen neuen Ansatz beschrieben, der Quantencomputer in eine Qubit-Symphonie verwandelt, die von einem sehr seltsamen Dirigenten geleitet wird.

Zeitkristalle sind Materialien, die sich im Laufe der Zeit in sich wiederholenden Mustern verändern. Diese „tickenden“ Systeme wurden vor mehr als einem Jahrzehnt theoretisiert, und seitdem wurden Versionen davon unter Verwendung des sanften Drucks eines Lasers und extrem kalter Atomcluster entwickelt, in denen Lichtstöße Partikel in periodische Fluktuationen versetzen, die sich dem Laser-Timing entziehen.

Auf Papier In einer neuen Studie, die auf dem Prereview-Server arXiv verfügbar ist, schlägt das Physikertrio vor, die einzigartige Periodizität eines Zeitkristalls als Grundlage für einen neuen Typ zeitlicher elektronischer Schaltung zu nutzen. Durch den Einsatz von Mikrowellen zur Lenkung großer Mengen informationsbeladener Qubits könnte diese Periodizität dazu beitragen, die für viele Fehler verantwortlichen zufälligen Kollisionen zu reduzieren.

Ein solcher zeitlicher Kreislauf ständig driftender Qubits würde es einfacher machen, fast jedes Computerteilchen auf einen anderen Weg zu lenken und sein Quantenpotenzial auf nützliche Weise zu verschränken, anstatt Fehler zu verursachen.

Während der Vorschlag noch rein theoretisch ist, hat das Team gezeigt, wie die Physik von Clustern von Kaliumionen, die auf nahezu absolute Temperaturen gekühlt und durch einen Laserpuls gesteuert werden, ein „Orchester“ für den Walzertanz der Qubits bilden kann.

Die Umsetzung der Idee in einen praktischen Quantencomputer im großen Maßstab erfordert jahrelange Innovation und Experimente, wenn sie überhaupt funktioniert.

Aber jetzt, da wir wissen, dass zumindest einige Arten von Zeitkristallen existieren und für praktische Zwecke verwendet werden können, ist die Herausforderung, eine Wolke zu tragen, vielleicht doch keine so anspruchsvolle Aufgabe.

Diese Studie ist auf dem Vorschauserver verfügbar arXiv.