Intensiv forskning utförs på kvantsimulatorer:de lovar att exakt beräkna egenskaperna hos komplexa kvantsystem, när konventionella och till och med superdatorer misslyckas. I ett samarbetsprojekt, teoretiker från Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching anf Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) har nu utvecklat en ny verktygslåda för kvantsimulatorer och publicerat den i Vetenskapliga framsteg . Den använder den nobelprisvinnande topologiprincipen för att tillåta kvantbitar, till exempel enskilda atomer, att kommunicera med varandra via "topologiska radiokanaler". "Radiokanalerna" tillhandahålls av ett ljusfält som färdas i vågledare på ett robust sätt med hjälp av topologi. Konceptet ger plats för helt nya idéer, allt från grundforskning till kvantinformation.

"Hur kan vi få två avlägsna kvantbitar att" prata "med varandra?" frågar Alejandro González-Tudela. "Detta är en viktig utmaning inom kvantinformation och simulering!" Tills nyligen, den teoretiska fysikern var en postdoktor vid avdelningen Ignacio Cirac, direktör vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, och idag är han permanent forskare vid Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC i Madrid. Tillsammans med Cirac och två spanska kollegor från Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid, han har nu publicerat en vetenskaplig uppsats som introducerar en helt ny verktygslåda för fotonik. Fotonik är en gren av fysiken som behandlar samspelet mellan ljus och materia och dess tekniska tillämpning.

En möjlig tillämpning är den så kallade kvantsimuleringen, som går tillbaka till en idé om den berömda amerikanska nobelprisvinnaren Richard Feynman. Om man vill beräkna ett kvantsystems beteende så exakt som möjligt på en konventionell dator, den nödvändiga datorkraften fördubblas för varje ny kvantpartikel i systemet. På grund av denna matematiska lavin, även relativt små kvantsystem som består av bara några dussin partiklar överskrider prestanda för även konventionella superdatorer. Av denna anledning, Feynman fick idén för decennier sedan att simulera beteendet hos ett kvantsystem med hjälp av ett annat kvantsystem. I princip, en sådan kvantsimulator är en specialiserad kvantdator vars individuella kvantbitar enkelt kan styras utifrån - till skillnad från det ganska otillgängliga kvantsystemet vars beteende det ska simulera.

Sådana kvantsimulatorer har varit föremål för intensiv forskning i många år. Till exempel, de lovar att ge en bättre förståelse av materialegenskaper som supraledning eller komplex magnetism. De spelar också en viktig roll vid Institute in Garching. Till exempel, en simulator kan bestå av ett moln av ultrakylda atomer fångade i ett rumsligt gitter av laserljus. Om dessa kvantbitar - eller kort sagt qubits - ska interagera med varandra, de gör det genom att utbyta ljuskvanta, fotoner. Dock, en atom avger normalt en sådan foton i någon slumpmässig riktning. Det skulle vara mycket mer effektivt för kvantsimuleringar om qubiten kunde rikta sin foton direkt till nästa eller nästa men en granne.

Robust fotonradio

González-Tudela och hans team har nu utvecklat en teoretisk princip som möjliggör en så riktad "fotonradio" mellan atomer. "Vi måste packa qubits och fotoner i en vågledare, "förklarar teoretikern. Men hur "trådar" du en ensemble av atomer som flyter i ett ljusgaller i rymden med sådana vågledare och får dem att prata på ett robust sätt? Svaret från de fyra teoretikerna är:med extremt knepigt ljus.

Tricket är i huvudsak att överföra det matematiska begreppet topologi från solid state -fysik till fotonik. I fast tillståndsfysik, det har utlöst en verklig hype de senaste åren eftersom det kan producera helt nytt, tidigare okända materialegenskaper. 2016, de tre brittiska fysikerna David Thouless, Duncan Haldane och Michael Kosterlitz tilldelades Nobelpriset i fysik för att framgångsrikt introducera topologiska koncept för solid state -fysik. I princip, frågan är hur många hål en geometrisk kropp har. En kaffekopp, till exempel, har ett hål i handtaget precis som en munkring i mitten, och därmed har båda det topologiska nummer ett. Konsekvensen:ur en rent geometrisk synvinkel, koppen och munken kan enkelt förvandlas till varandra. Å andra sidan, våldsamt topologiskt motstånd möts när en enhålsmunk ska förvandlas till en kringla med tre hål.

Inom fysiken, denna hålnummerregel har till följd att topologin enormt kan stabilisera vissa fysiska egenskaper mot störningar. Och detta leder till den andra stora utmaningen inom kvantinformation och därmed kvantsimulering:allestädes närvarande störningar gör att den mycket känsliga kvantinformationen förfaller snabbt.

"Denna så kallade koherens är det största problemet med kvantinformation, "säger González-Tudela. Topologins fängslande egenskaper ledde snart smarta sinnen till slutsatsen att de känsliga kvantbitarna skulle kunna förpackas i fysiska system med sådana topologiska egenskaper. Detta forskas i fasta fysik, till exempel, och stora företag som Microsoft investerar också stort i denna forskning.

Topologisk verktygslåda

González-Tudela och hans tre medförfattare har nu tagit fram en verktygslåda med vilken sådana topologiska begrepp kan överföras till fotonik. Vissa system, såsom ultrakylda atomer i ljusa nät, är redan mycket avancerade i sin kontrollerbarhet. De erbjuder därför många möjligheter för kvantsimulering. Verktygslådan för de fyra teoretikerna öppnar ett nytt utrymme för många kreativa idéer. Enkelt uttryckt, den består av en uppsättning kvantbitar, till exempel enstaka atomer arrangerade i en rad. De kan interagera med en smart konstruerad, linjärt "ljusbad" som beter sig som vågledaren de teoretiska fysikerna letade efter.

Om man nu manipulerar de olika justeringsskruvarna i systemet, kvantbitarna kan utbyta fotoner efter önskemål via denna vågledare. Men inte bara det:Till exempel, en qubit kan skicka sin information i en riktning, men förblir helt mörka i motsatt riktning. Sådana interaktioner är extremt svåra att producera i atomernas mikrovärld.

Således erbjuder verktygslådan för de fyra teoretikerna många nya möjligheter att låta kvantbitar kommunicera med varandra. Detta är exakt vad framtida kvantsimulatorer behöver. Konceptet är också universellt:det kan också förverkligas i vissa kvantsystem som består av många qubits som för närvarande undersöks. Det nya arbetet för de fyra teoretikerna kan bli kärnan för helt nya idéer, allt från ren grundforskning till kvantinformation.