Klaar voor gebruik: Quantum Twins simuleren zonder te rekenen

Terwijl kwantumcomputers langzaam maar zeker bruikbaar worden, volgen sommigen een andere aanpak: analoge kwantumsimulatie. Deze methode bootst complexe, moeilijk toegankelijke zaken na – en is nu al klaar voor gebruik.

“In plaats van qubits te gebruiken, zoals je normaal gesproken in een kwantumcomputer zou doen, coderen we het probleem direct in de geometrie en structuur van de array zelf”, zegt Sam Gorman, hoofd kwantumsysteemtechniek bij de in Sydney gevestigde startup Silicon Quantum Computing.

Simpel gezegd: in plaats van eindeloos te rekenen, bouwen onderzoekers een mini-systeem dat zich precies gedraagt zoals het echte systeem.

Hoe ziet dat er fysiek uit?

De onderzoekers bouwen een grote rij quantum dots.

• Elk quantum dot = een soort kunstmatig atoom
• Samen vormen ze een rooster
• Door spanningen en magnetische velden aan te passen, kun je bepalen hoe elektronen zich gedragen

Zo bootsen ze bijvoorbeeld na:

• hoe elektronen samenwerken in een materiaal
• waarom een materiaal ineens geleidend wordt
• of zelfs waarom sommige materialen supergeleidend zijn

Quantum Twins zijn dus fysieke kwantumsystemen die exact het gedrag van een echt kwantumsysteem nabootsen. In plaats van ingewikkelde berekeningen uit te voeren, ‘laten’ onderzoekers de natuur zelf het zware werk doen.

Nu te koop

Het product Quantum Twins van Silicon Quantum Computing is sinds kort beschikbaar voor klanten. Het team demonstreerde dat hun apparaat, bestaande uit 15.000 kwantumdots, een vaak bestudeerde overgang van een materiaal van een isolator naar een metaal, en alle tussenliggende toestanden, kan simuleren. Ze publiceerden hun werk deze week in het tijdschrift Nature.

Wat te simuleren

In 2022 gebruikte het team van Silicon Quantum Computing een eerdere versie van dezelfde technologie om een ​​polyacetyleenmolecuul te simuleren. Deze chemische stof bestaat uit koolstofatomen met afwisselende enkelvoudige en dubbele bindingen, en, cruciaal, de geleidbaarheid verandert drastisch afhankelijk van of de keten wordt onderbroken bij een enkelvoudige of dubbele binding. Om enkelvoudige en dubbele koolstofbindingen nauwkeurig te simuleren, moest het team de afstanden van hun registers tot op subnanometerprecisie regelen. Door de gate-spanningen van elke quantumdot aan te passen, reproduceerden de onderzoekers de sprong in geleidbaarheid.

Nu hebben ze de quantum twin-technologie gedemonstreerd op een veel groter probleem: de metaal-isolatorovergang van een tweedimensionaal materiaal. Waar het polyacetyleenmolecuul 10 registers vereiste, gebruikte het nieuwe model er 15.000.