Kunnen exotische ‘tijdkristallen’ de sleutel vormen tot een revolutie in het quantumcomputergeheugen? Recent onderzoek suggereert dat dit mogelijk is en biedt een kijkje in een toekomst waarin de opslag van kwantumgegevens minuten duurt in plaats van milliseconden. Dit is een aanzienlijke sprong ten opzichte van de huidige technologie en zou nieuwe mogelijkheden voor complexe kwantumberekeningen kunnen ontsluiten.
Tijdkristallen zijn unieke materialen die zich herhalende patronen in de tijd vertonen in plaats van in de ruimte, zoals traditionele kristallen dat doen. Stel je een slinger voor die heen en weer zwaait: de beweging ervan is periodiek, maar wordt aangedreven door een externe kracht (zwaartekracht). Tijdkristallen ontwikkelen deze periodiciteit echter spontaan, zonder enige voortdurende invloed van buitenaf.
Wetenschappers hebben verschillende opstellingen onderzocht om deze fascinerende structuren te creëren. In de laatste studie gepubliceerd in Nature Communications concentreerden onderzoekers van de Aalto Universiteit in Finland zich op een soort tijdkristal opgebouwd uit quasideeltjes die magnonen worden genoemd. Dit zijn collectieve golven die verband houden met de spin-eigenschap van deeltjes in een superfluïde helium-3-omgeving.
De kwetsbaarheidsbarrière overwinnen
Tijdkristallen worden als opmerkelijk kwetsbaar beschouwd en gemakkelijk verstoord door hun omgeving. Deze studie heeft deze uitdaging echter frontaal aangepakt. De onderzoekers koppelden met succes hun magnon-tijdkristal aan een mechanische oppervlaktegolf zonder deze te vernietigen. Deze interactie is cruciaal omdat het het potentieel aantoont om de inherente robuustheid van tijdkristallen voor praktische toepassingen te benutten.
Stel je voor dat je een delicaat voorwerp zachtjes heen en weer beweegt. Hoewel het ogenschijnlijk kwetsbaar is, kan het de beweging weerstaan als je het voorzichtig doet. Deze analogie geeft de essentie weer van wat de onderzoekers hebben bereikt. Door de mechanische golf zorgvuldig te manipuleren, brachten ze een verandering in de frequentie van het tijdkristal teweeg zonder schade aan te richten.
“Dit is voor mij het meest interessante deel”, verklaarde co-auteur Jere Mäkinen aan WordsSideKick.com. “Het is dat je tijdkristallen echt op een significante manier aan een ander systeem kunt koppelen en de inherente robuustheid van tijdkristallen kunt benutten.”
Een potentiële kwantumgeheugenoplossing
De implicaties van deze ontdekking zijn enorm, vooral voor kwantumcomputing. Kwantumcomputers maken gebruik van qubits, die in tegenstelling tot klassieke bits in een superpositie van toestanden kunnen bestaan (zowel 0 als 1 tegelijkertijd). Dankzij deze eigenschap kunnen ze mogelijk beter presteren dan klassieke computers bij specifieke taken.
Het behoud van deze delicate superposities is echter van het allergrootste belang. De huidige kwantumgeheugentechnologieën zijn voornamelijk afhankelijk van de oriëntatie van spins om gegevens op te slaan, maar deze spintoestanden zijn zeer gevoelig voor omgevingsgeluid. Deze ruis verstoort de superpositie, waardoor de toestand van de qubit instort en feitelijk het kwantumvoordeel verloren gaat. Bijgevolg duurt het bestaande kwantumgeheugen slechts milliseconden.
De magnonen die in dit onderzoek werden gebruikt, vertoonden opmerkelijke stabiliteit. Ze bleven minutenlang bestaan, zelfs tijdens de interactie met de mechanische oppervlaktegolf – een cruciale factor voor het opslaan van kwantumgegevens. Deze robuustheid komt voort uit de manier waarop informatie wordt gecodeerd binnen de frequentie van de magnon, die minder kwetsbaar is voor omgevingsstoringen dan spinoriëntaties.
“Het voor de hand liggende idee is om echt naar de kwantumlimiet te gaan en te kijken hoe ver we deze kunnen pushen”, zegt Mäkinen. Het team overweegt deze mechanisch gekoppelde tijdkristallen te gebruiken als brug tussen kwantumverwerkingseenheden en geheugenmodules in toekomstige kwantumcomputers. Dit zou een langdurigere opslag van qubit-informatie mogelijk kunnen maken, waardoor complexere berekeningen mogelijk worden en nieuwe grenzen in quantum computing worden ontsloten.
Leren van optomechanica
Interessant genoeg onthult de studie ook intrigerende parallellen met optomechanica – een veld waarin licht interageert met mechanische resonatoren. De subtiele invloed van een foton dat een spiegel raakt die aan een veer is bevestigd (een bekend voorbeeld) verandert de energie van de veer. Deze analogie levert waardevolle theoretische inzichten op in het gedrag van tijdkristallen in combinatie met mechanische golven.
De overeenkomsten suggereren dat gevestigde principes uit de optomechanica kunnen worden toegepast om deze nieuwe tijdkristalsystemen te begrijpen en te manipuleren. “Optomechanica is zo’n algemeen thema op veel gebieden van de natuurkunde, dus je kunt het in een grote verscheidenheid aan verschillende systemen gebruiken”, aldus Mäkinen.
Deze bevindingen maken de weg vrij voor verder onderzoek naar het koppelen van tijdkristallen aan verschillende mechanische resonatoren, wat in de toekomst mogelijk kan leiden tot nog robuustere en efficiëntere kwantumgeheugenoplossingen. De reis naar het bouwen van fouttolerante en schaalbare kwantumcomputers lijkt met elke baanbrekende ontdekking als deze dichterbij te komen.
