Uit een recent onderzoek is gebleken dat warmte binnen de delicate architectuur van kwantumcomputers niet altijd de regels van onze dagelijkse wereld volgt. Onderzoekers hebben een abnormale warmtestroom waargenomen – gevallen waarin warmte zich verplaatst van koudere gebieden naar warmere gebieden – waardoor de klassieke wetten van de thermodynamica die het macroscopische universum beheersen, in twijfel worden getrokken.
Onder leiding van professor Aabhaas Vineet Mallik gebruikte het onderzoeksteam een techniek die bekend staat als middencircuitmeting om deze verschijnselen te observeren, wat een nieuwe manier biedt om de kwantummechanica te begrijpen en de betrouwbaarheid van toekomstige kwantummachines te verbeteren.
Het kwantumvoordeel: gate-based computing
Om te begrijpen waarom deze ontdekking belangrijk is, moet je eerst onderscheid maken tussen de verschillende manieren waarop kwantumcomputers werken. Terwijl sommige systemen (zoals die van D-Wave) continue evolutie gebruiken om specifieke optimalisatieproblemen op te lossen, richten de marktleiders (waaronder IBM, Google en Microsoft ) zich op gate-based quantum computing.
Op poorten gebaseerde systemen worden als ‘universeel’ beschouwd. Ze gebruiken discrete bewerkingen die ‘poorten’ worden genoemd om qubits (kwantumbits) te manipuleren. In tegenstelling tot klassieke bits, die strikt 0 of 1 zijn, bestaan qubits tegelijkertijd in een superpositie van beide toestanden. Dankzij deze mogelijkheid kunnen gate-gebaseerde machines potentieel problemen oplossen die zelfs voor de krachtigste supercomputers onmogelijk zijn, zoals:
– Simulatie van complexe moleculaire structuren voor de geneeskunde.
– Het ontwerpen van geavanceerde nieuwe materialen.
– Het voorspellen van eiwitvouwing voor biologisch onderzoek.
De paradox van meten
In de klassieke wereld is het meten van iets een passieve handeling; kijken naar een thermometer verandert de temperatuur van de kamer niet. In de kwantumwereld is meten echter een actieve interventie. Het observeren van een qubit dwingt hem uit zijn onzekere staat naar een definitieve staat, waardoor het systeem onvermijdelijk wordt verstoord.
Deze verstoring is een tweesnijdend zwaard. Aan de ene kant introduceert het fouten die een berekening kunnen laten ontsporen. Aan de andere kant gebruiken onderzoekers nu metingen in het midden van het circuit – het controleren van de toestand van qubits tijdens een berekening in plaats van alleen aan het einde – om twee doelen te dienen:
1. Foutcorrectie: Fouten opvangen voordat ze door het systeem stromen.
2. Wetenschappelijk onderzoek: De verstoring veroorzaakt door metingen gebruiken om te bestuderen hoe warmte zich op kwantumniveau gedraagt.
Waarneming van een “afwijkende” warmtestroom
In de klassieke thermodynamica schrijft de Tweede Wet voor dat warmte altijd van een heter lichaam naar een kouder lichaam stroomt. De onderzoekers ontdekten echter dat kwantumcorrelaties – subtiele, niet-klassieke verbindingen tussen deeltjes – deze regel terzijde kunnen schuiven.
Door kwantumarchitecturen zorgvuldig te ontwerpen waarbij de fouten veroorzaakt door metingen in het middencircuit minimaal zijn, heeft het team met succes een abnormale kwantumwarmtestroom waargenomen. In deze gevallen leek de warmte tegen de temperatuurgradiënt in te bewegen.
“We hebben een klasse van kwantumcomputerarchitecturen kunnen identificeren waarbij de fout als gevolg van metingen in het middencircuit klein genoeg is voor een ondubbelzinnige observatie van iets dat een abnormale kwantumwarmtestroom wordt genoemd”, aldus professor Mallik.
Waarom dit belangrijk is voor de toekomst van de technologie
Dit is niet alleen een curiosum van de theoretische natuurkunde; het heeft diepgaande gevolgen voor de engineering van stabiele kwantumcomputers.
- Robuuste machines bouwen: Om een betrouwbare computer te bouwen, moeten ingenieurs precies begrijpen hoeveel “geluid” en warmte er wordt gegenereerd door het meten zelf. Het karakteriseren van deze ruis is essentieel voor het creëren van hardware die zonder constante fouten kan functioneren.
- Een nieuwe maatstaf voor “kwantumness”: Het onderzoek suggereert dat een abnormale warmtestroom als lakmoesproef zou kunnen dienen. Door te observeren of een machine deze niet-klassieke hittepatronen vertoont, kunnen wetenschappers verifiëren hoe echt ‘kwantum’ een apparaat is, waardoor het zich onderscheidt van een zeer geavanceerde klassieke simulator.
- Open source-inzichten: Hoewel veel technologiegiganten hun onderzoek naar foutcorrectie strikt vertrouwelijk houden, biedt dit onderzoek de broodnodige openbare gegevens die academische en publieke onderzoeksinstellingen kunnen gebruiken om supergeleidende kwantumtechnologieën vooruit te helpen.
Vooruitkijken
Het onderzoeksteam is van plan deze protocollen uit te breiden naar grotere, complexere systemen en ze te testen op verschillende hardware-architecturen. Naarmate de race om een functionele kwantumcomputer te bouwen steeds heviger wordt, zal het vermogen om de vreemde thermodynamische regels van de subatomaire wereld te benutten (en te begrijpen) de sleutel zijn tot de overstap van experimentele prototypes naar universele rekenkracht.
Conclusie: Door te observeren dat warmte ‘omgekeerd’ stroomt, hebben wetenschappers een manier gevonden om juist de verstoringen die fouten veroorzaken te gebruiken als een hulpmiddel om de kracht van kwantummachines te meten en te verifiëren.
