Een eenvoudig mechanisch systeem van aluminium staafjes gebruikt trillingen om informatie te coderen, en bootst zo quantumcomputers na met een niet-quantumsysteem.

Sommige eigenschappen van quantumcomputers kunnen worden nagebootst met geluid in een eenvoudig mechanisch apparaat. Dit heeft het voordeel dat het minder kwetsbaar is dan quantumcomputers, terwijl het toch een paar van de eigenschappen daarvan nabootst.

Quantumcomputers zouden problemen kunnen oplossen die onmogelijk zijn voor de beste conventionele supercomputers, maar zijn lastig om mee te werken. Veel verliezen gemakkelijk hun quantum-karakter, wat essentieel is om in het voordeel te zijn ten opzichte van gewone computers. Ze stoppen met werken door storende invloeden. En ze moeten meestal sterk geïsoleerd in extreem koude, cryogene koelkasten staan om überhaupt te kunnen werken.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Aluminium staafjes

Materiaalkundige Pierre Deymier van de Universiteit van Arizona en zijn collega’s lijmden drie aluminium staafjes van elk meer dan een halve meter aan. Zo bouwden ze iets dat kan werken als een quantumbit, of qubit, maar dan met een veel groter apparaat dan gebruikelijk.

Qubits verschillen van conventionele bits omdat ze niet alleen informatie coderen als 1-en en 0-en. Daarnaast vertonen ze ook superposities die in zekere zin 0 en 1 tegelijk zijn. De onderzoekers gebruikten luidsprekers om trillingen te creëren aan de ene kant van de stapel, en detecteerden deze aan de andere kant. Wanneer de geluidsfrequenties precies goed waren afgestemd, vormden zich gelokaliseerde klonten geluid in de staven: de onderzoekers noemden ze ‘phi-bits’. 

Deymier zegt dat informatie in de phi-bits kon worden ingevoerd door het geluid precies af te stemmen. Omdat er veel phi-bits tegelijkertijd bestonden, maar niet onafhankelijk van elkaar, konden ook in een superpositie worden gebracht: een mengsel van al hun afzonderlijke toestanden.

Phi-bits

De onderzoekers bedachten manieren om eenvoudige berekeningen uit te voeren, zoals analogen van het veranderen van een 1 in een 0. Ze maakten ook meer ingewikkeldere, quantumachtige toestanden die eigenschappen delen met verstrengelde deeltjes in quantumsystemen. Bijvoorbeeld toestanden waarbij je een enkele phi-bit niet kunt onderscheiden van andere phi-bits. In alle experimenten was het apparaat ‘angstaanjagend eenvoudig’, aldus Deymier.

‘We hebben veel flexibiliteit in wat we hier kunnen doen. En het is zo’n nieuw systeem dat we de grenzen nog niet hebben ontdekt’, zegt hij. Zijn team presenteerde het werk op 12 mei op een bijeenkomst van de Acoustical Society of America in Chicago, Illinois.

Grenzen aan niet-quantumsystemen

Maar de grenzen aan hoe goed een niet-quantumsysteem een quantumsysteem kan imiteren (dus de voordelen van quantumcomputers kan benutten) zijn een kwestie van fundamentele natuurkunde, zegt quantum- en fotonicanatuurkundige Gerd Leuchs van de Universiteit van Erlangen-Neurenberg in Duitsland. Omdat quantumobjecten golfachtige eigenschappen hebben kan een deel van wat zij doen, zoals het vormen van superposities, worden gerepliceerd met andere golven zoals geluiden, zegt hij.

Maar quantumobjecten hebben ook manieren om op interacties te reageren die volledig uniek zijn. ‘Zulk quantumgedrag is mogelijk noodzakelijk zijn om alle voordelen van quantumrekenen te verkrijgen. We kennen daarvan geen niet-quantum equivalent.’