Om een quantumcomputer bruikbare willekeur te laten genereren, kun je meer quantumbits toevoegen – maar quantumchaos kan ook effectief zijn.
Het streven naar een echt nuttige quantumcomputer komt meestal neer op het toevoegen van quantumbits of qubits, de bouwstenen van deze apparaten. Maar quantumchaos zou hetzelfde effect kunnen hebben. Hierdoor kunnen quantumcomputers mogelijk taken aan die anders te moeilijk voor ze zouden zijn.
Van klassiek naar quantum
Voor het genereren van echte quantumwillekeur – wat iets anders is dan quantumchaos, en van pas kan komen bij quantumtechnologieën – is doorgaans een boel ingenieurswerk nodig. Maar natuurkundige Wai-Keong Mok van het California Institute of Technology en collega’s hebben nu ontdekt hoe chaos is in te zetten om hetzelfde voor elkaar te krijgen.
‘De Noordpool zoals ik die ooit kende, bestaat niet meer’
Elke zomer trekt poolbioloog Maarten Loonen naar Spitsbergen, terwijl de gletsjers afbrokkelen en de wereld om hem heen smelt.
‘Ze hebben een heel efficiënte manier gevonden om klassieke willekeur – iets wat we heel goed begrijpen en kunnen genereren – te vertalen naar quantumwillekeur, iets wat moeilijk te begrijpen is en veel moeilijker te genereren’, zegt fysicus Pieter Claeys van het Max Planck-instituut voor de Natuurkunde van Complexe Systemen in Duitsland.
Enorm gevoelig
Bij quantumwillekeur is er totaal geen sprake van patronen of voorspelbaarheid. In een echt willekeurig systeem zijn de eigenschappen van een quantumobject niet te voorspellen, zelfs niet als je er eerder interactie mee hebt gehad. Doordat de quantumfysica meer verbanden toelaat dan mogelijk is bij niet-quantumobjecten, komen quantum- en klassieke willekeur ook niet op hetzelfde neer.
Daarbij is de klassieke versie van willekeur veel makkelijker te genereren. Chaos kan daarentegen voorspelbaarder zijn. Wel zijn chaotische systemen enorm gevoelig voor hun omstandigheden. Daardoor kunnen kleine veranderingen in de omgeving het gedrag van een chaotisch object beïnvloeden.
Quantumwillekeur gekwantificeerd
De onderzoekers analyseerden hoe de quantumversie van deze gevoeligheid ervoor kan zorgen dat quantumobjecten willekeuriger worden. Ze simuleerden een chaotisch systeem dat bestond uit een grote hoeveelheid qubits. In hun opstelling leidden metingen aan sommige qubits ertoe dat andere qubits in willekeurige quantumtoestanden belandden. De onderzoekers kwantificeerden vervolgens de hoeveelheid quantumwillekeur in die eindtoestand.
Ze deden allerlei simulaties om te bepalen welke begineigenschappen de meeste quantumwillekeur opleverden nadat ze een tijdlang chaos hadden ervaren. Uiteindelijk bleek het de beste optie om de begintoestand van de qubits klassiek willekeuriger te maken.
Mok vertelt dat het team verrast was door hun ontdekking: elke eenheid (of bit) aan klassieke willekeur levert evenveel quantumwillekeur op als het toevoegen van een extra qubit aan het systeem zou hebben gedaan. Daarmee heeft het team volgens hem een makkelijkere route gevonden om hetzelfde resultaat te bereiken.
Mix van chaos en willekeur
Mok zegt dat het misschien al mogelijk is om dit resultaat te testen. Bij sommige experimenten met extreem koude atomen zijn eerder chaotische systemen gecreëerd die vergelijkbaar zijn met de systemen die zijn team heeft bestudeerd. De volgende stap is om dat soort experimenten te gebruiken om te bevestigen dat een mengeling van klassieke willekeur en quantumchaos daadwerkelijk van pas kan komen. Denk daarbij aan taken als het testen in hoeverre atomen als qubits kunnen fungeren. Een ander voorbeeld is schaduwtomografie, een proces dat wordt gebruikt om de quantumtoestanden van qubits te onderzoeken. Voor beide toepassingen is quantumwillekeur nodig.
