Ett team av kvantteoretiker som försökte bota ett grundläggande problem med kvantglödgningsdatorer – de måste köra i relativt långsam takt för att fungera korrekt – hittade istället något spännande. Samtidigt som man undersöker hur kvantglödgare fungerar när de används snabbare än önskat, teamet upptäckte oväntat en ny effekt som kan förklara den obalanserade fördelningen av materia och antimateria i universum och en ny metod för att separera isotoper.

"Även om vår upptäckt inte botade glödgningstidsbegränsningen, det medförde en klass av nya fysikproblem som nu kan studeras med kvantglödgare utan att kräva att de är för långsamma, sade Nikolai Sinitsyn, en teoretisk fysiker vid Los Alamos National Laboratory. Sinitsyn är författare till tidningen publicerad 19 februari in Fysiska granskningsbrev , med medförfattarna Bin Yan och Wojciech Zurek, båda också av Los Alamos, och Vladimir Chernyak från Wayne State University.

Betydligt nog, detta fynd antyder hur åtminstone två kända vetenskapliga problem kan lösas i framtiden. Den första är den uppenbara asymmetrin mellan materia och antimateria i universum.

"Vi tror att små modifieringar av de senaste experimenten med kvantglödgning av interagerande qubits gjorda av ultrakalla atomer över fasövergångar kommer att vara tillräckliga för att visa vår effekt, sa Sinitsyn.

Förklara saken/antimateriadiskrepansen

Både materia och antimateria var resultatet av de energiexitationer som producerades vid universums födelse. Symmetrin mellan hur materia och antimateria interagerar var bruten men mycket svagt. Det är fortfarande inte helt klart hur denna subtila skillnad skulle kunna leda till den stora observerade dominansen av materia jämfört med antimateria i kosmologisk skala.

Den nyupptäckta effekten visar att en sådan asymmetri är fysiskt möjlig. Det händer när ett stort kvantsystem passerar genom en fasövergång, det är, en mycket skarp omarrangering av kvanttillstånd. Under sådana omständigheter, starka men symmetriska interaktioner kompenserar ungefär varandra. Sen subtila, kvardröjande olikheter kan spela den avgörande rollen.

Att göra kvantglödgare tillräckligt långsamt

Kvantglödgningsdatorer är byggda för att lösa komplexa optimeringsproblem genom att associera variabler med kvanttillstånd eller qubits. Till skillnad från en klassisk dators binära bitar, som bara kan vara i ett tillstånd, eller värde, av 0 eller 1, qubits kan vara i en kvantöverlagring av mellanvärden. Det är där alla kvantdatorer hämtar sina fantastiska, om den fortfarande är till stor del outnyttjad, befogenheter.

I en kvantglödgningsdator, qubitarna bereds initialt i ett enkelt tillstånd med lägsta energi genom att applicera ett starkt externt magnetfält. Detta fält stängs sedan långsamt av, medan växelverkan mellan qubitarna långsamt slås på.

"Helst går en glödgarn långsam nog att köras med minimala fel, men på grund av osammanhängande, man måste köra glödgarn snabbare, " förklarade Yan. Teamet studerade den framträdande effekten när glödgaserna körs med högre hastighet, vilket begränsar dem till en begränsad drifttid.

"Enligt den adiabatiska satsen i kvantmekaniken, om alla förändringar är mycket långsamma, så kallad adiabatiskt långsam, då måste qubitarna alltid förbli i sitt lägsta energitillstånd, " sade Sinitsyn. "Därför, när vi äntligen mäter dem, vi hittar den önskade konfigurationen av 0:or och 1:or som minimerar funktionen av intresse, vilket skulle vara omöjligt att få med en modern klassisk dator."

Hoppad av dekoherens

Dock, för närvarande tillgängliga kvantglödgare, som alla kvantdatorer hittills, hämmas av deras qubits interaktion med den omgivande miljön, som orsakar dekoherens. Dessa interaktioner begränsar det rent kvantbeteendet hos qubits till ungefär en miljondels sekund. Inom den tidsramen, beräkningar måste vara snabba – icke-diabatiska – och oönskade energiexcitationer förändrar kvanttillståndet, införa oundvikliga beräkningsfel.

Kibble-Zurek teorin, samutvecklad av Wojciech Zurek, förutspår att de flesta fel uppstår när qubits stöter på en fasövergång, det är, en mycket skarp omarrangering av deras kollektiva kvanttillstånd.

För denna tidning, teamet studerade en känd lösbar modell där identiska qubits endast interagerar med sina grannar längs en kedja; modellen verifierar Kibble-Zurek-teorin analytiskt. I teoretikerns strävan att bota begränsad drifttid i kvantglödgningsdatorer, de ökade komplexiteten i den modellen genom att anta att qubits kunde delas upp i två grupper med identiska interaktioner inom varje grupp men något olika interaktioner för qubits från de olika grupperna.

I en sådan blandning, de upptäckte en ovanlig effekt:En grupp producerade fortfarande en stor mängd energiexcitationer under passagen genom en fasövergång, men den andra gruppen förblev i energiminimum som om systemet inte upplevde en fasövergång alls.

"Modellen vi använde är mycket symmetrisk för att vara lösbar, och vi hittade ett sätt att utöka modellen, bryta denna symmetri och fortfarande lösa den, "Sinitsyn förklarade. "Då fann vi att Kibble-Zurek-teorin överlevde men med en twist - hälften av qubitarna försvann inte energi och betedde sig 'snällt'. Med andra ord, de behöll sina grundtillstånd."

Tyvärr, den andra hälften av qubitarna producerade många beräkningsfel – alltså, inget botemedel än så länge för en passage genom en fasövergång i kvantglödgningsdatorer.

Ett nytt sätt att separera isotoper

Ett annat långvarigt problem som kan dra nytta av denna effekt är isotopseparation. Till exempel, naturligt uran måste ofta separeras i de anrikade och utarmade isotoper, så det anrikade uranet kan användas för kärnkrafts- eller nationella säkerhetsändamål. Den nuvarande separationsprocessen är kostsam och energikrävande. Den upptäckta effekten innebär att genom att få en blandning av interagerande ultrakalla atomer att passera dynamiskt genom en kvantfasövergång, olika isotoper kan exciteras selektivt eller inte och sedan separeras med hjälp av tillgänglig magnetisk avböjningsteknik.