När storleken på modern teknik krymper ner till nanoskalan blir konstiga kvanteffekter – som kvanttunnelering, superposition och intrassling – framträdande. Detta öppnar dörren till en ny era av kvantteknologier, där kvanteffekter kan utnyttjas. Många vardagliga tekniker använder sig av återkopplingskontroll rutinmässigt; ett viktigt exempel är pacemakern, som måste övervaka användarens hjärtslag och applicera elektriska signaler för att kontrollera det, bara när det behövs. Men fysiker har ännu inte en likvärdig förståelse för återkopplingskontroll på kvantnivå. Nu har fysiker utvecklat en "masterekvation" som kommer att hjälpa ingenjörer att förstå feedback på kvantskalan. Deras resultat publiceras i tidskriften Physical Review Letters .

"Det är viktigt att undersöka hur återkopplingsstyrning kan användas i kvantteknologier för att utveckla effektiva och snabba metoder för att styra kvantsystem, så att de kan styras i realtid och med hög precision", säger medförfattaren Björn Annby- Andersson, kvantfysiker vid Lunds universitet, i Sverige.

Ett exempel på en avgörande återkopplingskontrollprocess i kvantberäkning är kvantfelskorrigering. En kvantdator kodar information om fysiska qubits, som till exempel kan vara fotoner av ljus eller atomer. Men kvantegenskaperna hos qubitarna är ömtåliga, så det är troligt att den kodade informationen kommer att gå förlorad om qubitarna störs av vibrationer eller fluktuerande elektromagnetiska fält. Det betyder att fysiker måste kunna upptäcka och korrigera sådana fel, till exempel genom att använda återkopplingskontroll. Denna felkorrigering kan implementeras genom att mäta tillståndet för qubitarna och, om en avvikelse från vad som förväntas upptäcks, applicera feedback för att korrigera det.

Men feedbackkontroll på kvantnivå innebär unika utmaningar, just på grund av den bräcklighet fysiker försöker mildra. Den känsliga naturen innebär att även själva återkopplingsprocessen kan förstöra systemet. – Det är nödvändigt att endast interagera svagt med det uppmätta systemet och bevara de egenskaper vi vill exploatera, säger Annby-Andersson.

Det är därför viktigt att utveckla en fullständig teoretisk förståelse av kvantåterkopplingskontroll, för att fastställa dess grundläggande gränser. Men de flesta befintliga teoretiska modeller för kvantåterkopplingskontroll kräver datorsimuleringar, som vanligtvis bara ger kvantitativa resultat för specifika system. – Det är svårt att dra generella kvalitativa slutsatser, säger Annby-Andersson. "De få modeller som kan ge kvalitativ förståelse är bara tillämpliga på en smal klass av återkopplingskontrollerade system - den här typen av återkoppling kallas vanligtvis linjär återkoppling."

"Penna och papper"

Annby-Andersson och hans kollegor har nu utvecklat en masterekvation, kallad en "Quantum Fokker-Planck-ekvation", som gör det möjligt för fysiker att spåra utvecklingen av vilket kvantsystem som helst med återkopplingskontroll över tid. – Ekvationen kan beskriva scenarier som går utöver linjär feedback, säger Annby-Andersson. "Särskilt kan ekvationen lösas med penna och papper, snarare än att behöva förlita sig på datorsimuleringar."

Teamet testade sin ekvation genom att tillämpa den på en enkel feedbackmodell. Detta bekräftade att ekvationen ger fysiskt vettiga resultat och visade också hur energi kan skördas i mikroskopiska system med hjälp av återkopplingskontroll. – Ekvationen är en lovande utgångspunkt för framtida studier av hur energi kan manipuleras med hjälp av information på mikroskopisk nivå, säger Annby-Andersson.

Teamet undersöker nu ett system som använder feedback för att manipulera energi i "kvantprickar" - små halvledande kristaller bara miljarddels meter i diameter. "En viktig framtida riktning är att använda ekvationen som ett verktyg för att uppfinna nya återkopplingsprotokoll som kan användas för kvantteknologier", säger Annby-Andersson. + Utforska vidare

Quantum dator fungerar med mer än noll och en