Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware

De natuur zit vol met systemen die lijken uit te dehanden. Weerpatronen draaien uit tot stormen, verkeersopstoppingen ontstaan door de kleinste vertraging, en populaties van roofdieren en prooien stijgen en dalen in onvoorspelbare cycli. Toch ontstaat er binnen deze schijnbare willekeur vaak orde. Straalstromen organiseren zich vanuit turbulentie, en neurale activiteit synchroniseert tot de constante ritmes van de hersenen. Wetenschappers weten al lang dat door deze chaotische systemen nauwlettend te observeren en door kleine, tijdige aanpassingen te maken, ze teruggevoerd kunnen worden naar een stabiele staat. Dit principe van chaoscontrole heeft geholpen bij het stabiliseren van lasers en zelfs bij het begeleiden van ruimtevaartuigen door onstabiele zwaartekrachtregio's. Nu vragen onderzoekers zich af of ditzelfde idee kan werken in de vreemde, fragiele wereld van de kwantummechanica, waar deeltjes zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden en gemakkelijk worden verstoord door hun omgeving.

De uitdaging in de kwantumwereld is immens. Kwantumsystemen zijn ongelooflijk gevoelig; de kleinste ruis of fout kan de delicate informatie die ze bevatten vernietigen. Traditionele methoden om kwantumsystemen te besturen falen vaak omdat de handeling van het meten zelf hun gedrag verandert. Er is echter een nieuwe aanpak ontstaan die gebruikmaakt van een combinatie van willekeurige kwantumoperaties en constante monitoring. Door delen van een kwantumsysteem te meten en die informatie vervolgens te gebruiken om andere delen in realtime te resetten of te corrigeren, kunnen wetenschappers een feedbackloop creëren. Dit proces, bekend als een adaptief circuit, stelt onderzoekers in staat om een kwantumsysteem weg te sturen van chaos en naar een specifieke, stabiele staat, waardoor de kwantumstorm effectief wordt getemd.

In een recente studie heeft een team van onderzoekers, onder leiding van wetenschappers van IBM en de Rutgers University, dit concept op grote schaal getest. Ze bouwden een kwantumcircuit op een supergeleidende processor die een beroemd wiskundig model nabootst dat bekend staat als de Bernoulli-kaart. In zijn klassieke vorm neemt deze kaart een getal, verdubbelt het, en behoudt alleen het breukdeel, een proces dat elke beginwaarde snel in chaos verandert. De onderzoekers creëerden een kwantumversie van deze kaart, waarbij het "door elkaar husselen" wordt gedaan door willekeurige kwantum-gates die de informatie van de qubits met elkaar mengen. Om deze chaos tegen te gaan, introduceerden zij een controlemechanisme: op willekeurige intervallen zouden ze een specifieke qubit meten en, op basis van de uitslag, deze resetten naar een bekende begintoestand. Dit creëerde een strijd tussen de krachten die chaos veroorzaken en proberen de informatie overal te verspreiden, en de controlekrachten die proberen het systeem vast te pinnen op een enkele, geordende staat.

Het experiment werd uitgevoerd op een IBM-kwantumprocessor met tot wel honderd qubits, een significante stap omhoog ten opzien van eerdere pogingen die beperkt waren tot slechts enkele tientallen. De onderzoekers draalden het circuit gedurende duizenden stappen, waardoor het systeem kon evolueren tot het een evenwichtstoestand bereikte. Vervolgens keken ze hoe het systeem zich gedroeg terwijl ze de frequentie van de controlemetingen aanpasten. Wanneer de controle zwak was, bleef het systeem chaotisch, met informatie die verspreid was over alle qubits in een complex, verstrengeld web. Naarmate ze de frequentie van de metingen en resets verhoogden, veranderde het systeem plotseling. Het transformeerde van deze chaotische, kwantumtoestand naar een gecontroleerde, geordende staat waarin de qubits in een voorspelbaar patroon terechtkwamen. Deze verschuiving, bekend als een faseovergang, vond plaats op een precies kantelpunt waar de controlekrachten de chaos eindelijk overwonnen.

Wat deze ontdekking bijzonder significant maakte, was het vermogen om de transitie niet alleen te observeren in het gemiddelde gedrag van het systeem, maar ook in de fluctuaties van individuele kwantumtrajecten. In een klassiek systeem krijg je, als je hetzelfde experiment twee keer uitvoert, hetzelfde resultaat. In een kwantumsysteem betekent de willekeur van meting, zelfs met exact dezelfde opstelling, dat elke uitvoering een iets andere uitkomst produceert. De onderzoekers maten deze verschillen, bekend als kwantumfluctuaties, en ontdekten dat ze op het kantelpunt op een zeer specifieke manier gedroegen. Deze fluctuaties groeiden en krompen volgens universele wetten die met hoge precisie overeenkwamen met theoretische voorspellingen. Dit bevestigde dat het systeem werkelijk als een kwantumobject functioneerde en de complexe regels van de kwantummechanica volgde, in plaats van simpelweg te fungeren als een luidruchtige klassieke computer.

Om hun resultaten te waarborgen, vergeleken de onderzoekers hun experimentele gegevens met twee verschillende soorten computersimulaties. De ene simulatie modelleerde het systeem als een perfecte kwantumcomputer, terwijl de andere het systeem modelleerde als een klassieke computer die van alle kwantumcoherentie was gestript, wat het in essentie veranderde in een luidruchtig, willekeurig proces. De experimentele gegevens kwamen veel nauwer overeen met de perfecte kwantumsimulatie dan met de klassieke simulatie. Dit leverde sterk bewijs dat de kwantumprocessor succesvol de complexe adaptieve controle uitvoerde en zijn kwantumkarakter behield, zelfs terwijl hij constant werd gemeten en gereset. De studie onthulde ook dat de overgang van chaos naar orde niet alleen een verandering in de staat van het systeem was, maar een fundamentele verschuiving van kwantumgedrag naar effectief klassiek gedrag, waarbij het systeem zo geordend werd dat het de complexe verstrengeling die typerend is voor de kwantummechanica niet langer vertoonde.

Dit werk vormt een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van kwantumtechnologie. Door duizenden kwantumoperaties, inclusioneel metingen en resets, succesvol te coördineren op een groot aantal qubits, hebben de onderzoekers een niveau van controle aangetoond dat essentieel is voor het bouwen van toekomstige fouttolerante kwantumcomputers. Deze machines zullen constant hun eigen fouten moeten monitoren en corrigeren om te kunnen functioneren, en dit experiment laat zien dat dergelijke adaptieve controle mogelijk is, zelfs in aanwezigheid van ruis. Het vermogen om deze transities in echte kwantumhardware te observeren en te begrijpen, brengt wetenschappers een stap dichter bij het beheersen van de volledige kracht van de kwantummechanica voor het oplossen van problemen die momenteel onmogelijk zijn voor klassieke computers. De studie bewijst dat met de juiste instrumenten zelfs de meest chaotische kwantumsystemen naar een staat van orde geleid kunnen worden, wat de deur opent naar een nieuw tijdperk van kwantumcontrole.