Een nieuw ontwerp voor quantumcomputers

Een quantumcomputer maken die krachtig genoeg is om problemen op te lossen die met huidige computers onoplosbaar zijn: dat blijft een grote uitdaging voor quantumfysici. Een goedwerkende quantum-simulator - een specifiek type quantumcomputer - zou kunnen leiden tot nieuwe ontdekkingen over hoe de wereld werkt op de kleinste schaal. Quantumwetenschapper Natalia Chepiga van de TU Delft heeft een gids ontwikkeld om deze machines zodanig te upgraden dat ze zelfs de complexere quantumsystemen kunnen simuleren. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Physical Review Letters.

"Bruikbare quantumcomputers en quantum-simulators maken is momenteel één van de belangrijkste en meest besproken onderwerpen in de quantumwetenschap. Het heeft de potentie om een revolutie in de maatschappij te ontketenen", zegt onderzoeker Natalia Chepiga. Quantum-simulators zijn een soort quantumcomputers, legt Chepiga uit: "Quantum-simulators zijn bedoeld om open problemen van de quantumfysica aan te pakken om ons begrip van de natuur verder te brengen. Quantumcomputers zullen brede toepassingen hebben op verschillende gebieden van ons sociale leven, bijvoorbeeld op het gebied van financiën, encryptie en gegevensopslag."

Stuur van een auto
"Een belangrijk ingrediënt van een bruikbare quantum-simulator is de mogelijkheid om hem te besturen of te manipuleren", zegt Chepiga. "Stel je een auto voor zonder stuur. Hij kan alleen vooruit maar geen bochten nemen. Is deze auto nuttig? Alleen als je in één bepaalde richting moet gaan, anders is het antwoord ‘nee!’. Als we een quantumcomputer willen maken die in de nabije toekomst nieuwe natuurkundige fenomenen kan ontdekken, dan moeten we een ‘stuur’ bouwen om de simulator af te stemmen op iets dat interessant lijkt. In mijn publicatie stel ik een protocol voor dat een volledig controleerbare quantum-simulator creëert."

Recept
Het protocol is een recept – een set ingrediënten waaraan een quantum-simulator moet voldoen om afstembaar te zijn. In de gebruikelijke opzet van een quantum-simulator worden rubidium (Rb) of cesium (Cs) atomen door een enkele laser bestraald. Als gevolg daarvan nemen deze deeltjes elektronen op en worden daardoor energieker; ze raken aangeslagen. "Ik laat zien dat als we twee lasers met verschillende frequenties of kleuren gebruiken, waardoor deze atomen in verschillende toestanden worden aangeslagen, we de quantum-simulators op veel verschillende instellingen kunnen afstemmen", legt Chepiga uit. 

Het protocol voegt een extra dimensie toe aan wat er gesimuleerd kan worden. "Stel je voor dat je een kubus alleen als schets op een plat stuk papier hebt gezien, maar nu krijg je een echte 3D-kubus die je kunt aanraken, draaien en op verschillende manieren kunt verkennen", vervolgt Chepiga. "In theorie kunnen we nog meer dimensies toevoegen door meer lasers in te schakelen."