Quantum many-body mixed phase space revealed by hybrid feedback control

Stel je het universum voor als een enorme, bruisende dansvloer. Aan de ene kant heb je dansers die in perfecte, voorspelbare cirkels bewegen, zoals planeten die rond een zon draaien of een slinger die heen en weer zwaait. Dit is "orde". Aan de andere kant heb je een moshpit waar iedereen tegen elkaar opbotst, willekeurig beweegt en uiteindelijk verandert de hele menigte in een uniforme, chaotische soep. Dit is "chaos". Lange tijd dachten wetenschappers dat als je genoeg dansers (deeltjes) had die met elkaar interageren, de hele groep onvermijdelijk een chaotische moshpit zou worden en alle herinnering aan hoe ze begonnen zou verliezen. Dit idee, bekend als thermalisatie, suggereert dat complexe systemen uiteindelijk hun verleden vergeten en gewoon opwarmen. Maar wat als er een geheime hoek van de dansvloer is waar sommige dansers hun ritme weten te behouden, zelfs midden in de chaos? Het vinden van deze "eilanden van orde" binnen een zee van chaos is een enorme zaak, omdat het ons begrip van hoe het universum werkt uitdaagt en ons kan helpen bij het bouwen van betere kwantumcomputers die niet uit elkaar vallen door ruis.

Dit artikel gaat over een team wetenschappers dat besloot op zoek te gaan naar deze verborgen eilanden van orde in een kwantumsysteem — een systeem waarin deeltjes zich gedragen als zowel kleine balletjes als golven. Ze zochten er niet alleen naar; ze bouwden een speciale "hybride feedback"-robot om ze te vinden en vast te houden. Denk hierbij aan het proberen te balanceren van een bezem op je hand. Als je gewoon loslaat, valt hij (chaos). Maar als je constant kijkt en kleine, snelle aanpassingen met je hand maakt om hem rechtop te houden, kun je hem stabiliseren. De onderzoekers gebruikten een supergeleidende kwantumprocessor (een type kwantumcomputer gemaakt van kleine elektrische circuits) om een complex systeem van 24 interagerende deeltjes te simuleren. Ze ontdekten dat terwijl de meeste startpunten leidden tot chaos, er specifieke startposities waren die leidden tot langdurige, ritmische beweging. Door hun hybride robot te gebruiken — die afwisselt tussen het systeem een fractie van een seconde laten evolueren en vervolgens een klassieke computer gebruiken om het terug naar een stabiel pad te "duwen" — waren ze in staat om deze stabiele ritmes te ontdekken en vast te leggen. Ze vonden er niet slechts één; ze brachten een "gemengde faseruimte" in kaart, die laat zien dat regelmatige, voorspelbare beweging en chaotische beweging vlak naast elkaar kunnen bestaan in een kwantumwereld, een fenomeen dat wel theoretisch was beschreven maar nooit eerder in zo'n complex systeem was waargenomen.

De Dans van Orde en Chaos

Om te begrijpen wat hier gebeurt, moeten we kijken naar hoe dingen bewegen. In de klassieke wereld, zoals een zonnestelsel, zijn dingen meestal voorspelbaar. Maar als je een beetje chaos toevoegt, zoals een derde planeet die de banen verstoort, krijg je een "gemengde faseruimte". Stel je een kaart voor waarbij sommige gebieden kalme meren zijn (regelmatige banen) en andere woeste stroomversnellingen (chaos). In de kwantumwereld zijn de zaken ingewikkelder. Meestal, wanneer je veel deeltjes hebt die met elkaar interageren, raken ze allemaal verstrengeld in een rommel die "entanglement" wordt, en het systeem vergeet zijn geschiedenis, waardoor het een chaotische soep wordt. Dit wordt thermalisatie genoemd. Wetenschappers vermoedden echter dat misschien, heel misschien, sommige kwantumsystemen hun eigen versie van die kalme meren zouden kunnen hebben, waar deeltjes in een patroon blijven dansen zonder in de chaos te verdwalen.

De grote vraag was: Kunnen we deze kalme meren vinden in een systeem met veel interagerende deeltjes? En als we dat doen, kunnen we daar dan blijven?

De Hybride Feedback-robot

De onderzoekers bedachten een slimme oplossing met een "hybride" aanpak. Ze gebruikten een kwantumprocessor (de dansvloer) en een klassieke computer (de coach) die samenwerkten. Zo werkt hun "feedbackloop":

1. De Kwantumstap: Ze lieten het kwantumsysteem een zeer korte tijd dansen (ongeveer 80 nanoseconden). Tijdens deze tijd beginnen de deeltjes met elkaar te interageren. Als ze zich in een chaotische regio bevinden, beginnen ze rommelig en verstrengeld te raken.
2. De Meting: Ze stoppen de dans en maken een snapshot. Ze kijken niet naar het hele rommelige plaatje; in plaats daarvan controleren ze een specifieke "onbalans"-score. Denk hierbij aan het controleren of de dansers aan de linkerkant van de vloer nog steeds grotendeids verschillen van de dansers aan de rechterkant. Als de score hoog is, is het systeem nog georganiseerd. Als de score laag is, wordt het chaotisch.
3. De Klassieke Duw: De klassieke computer bekijkt die score en berekent hoe de startpositie van de dansers aangepast kan worden om de score de volgende keer hoger te maken. Het is alsoals de coach zegt: "Je begon iets te ver naar links; laten we je iets naar rechts verplaatsen."
4. Herhalen: Ze resetten het systeem met de nieuwe, aangepaste startpositie en doen het proces opnieuw.

Door deze cyclus te herhalen, filtert het systeem vanzelf de chaotische paden eruit. De chaotische paden worden weggeduwd omdat ze snel hun evenwicht verliezen. De regelmatige paden zijn echter stabiel. De feedbackloop houdt het systeem terug naar deze stabiele paden totdat het vastklikt op een perfect, herhalend ritme.

Wat Ze Vonden

Met deze methode op een 24-qubit processor (wat lijkt op een kleine kwantumcomputer met 24 schakelaars), ontdekte het team iets ongelooflijks. Ze ontdekten dat het kwantumsysteem niet slechts een chaotische bende was. Het had een "gemengde faseruimte".

• De Kaart: Ze maakten een kaart (een zogenaamde Poincaré-sectie) die liet zien waar de chaos en waar de orde zich bevonden. Het zag eruit als een zee van verspreide punten (chaos) met duidelijke eilanden van gladde curven (orde).
• De Ontdekking: Ze ontdekten dat door op de juiste plek te beginnen, ze het systeem een hele lange tijd in een perfecte, herhalende lus konden laten dansen. Nog beter: hun feedback-robot kon deze lussen vinden, zelfs als ze in het midden van de chaotische zee begonnen. De robot zou het systeem duwen totdat het het dichtstbijzijnde "eiland van orde" vond en het daar vervolgens vasthield.
• De Stabiliteit: Ze testten dit door de sterkte van de interacties tussen de deeltjes te veranderen. Ze ontdekten dat de eilanden van orde niet verdwenen; ze veranderden slechts langzaam van vorm, zoals een wolk die met de wind meedrijft. Dit bewees dat de orde geen toevalstreffer was; het was een robuust kenmerk van het systeem.

Waarom Dit Belangrijk Is

Dit is niet zomaar een coole truc met kwantumcomputers. Het laat zien dat er zelfs in complexe, interagerende kwantumsystemen pockets van stabiliteit kunnen zijn die de gebruikelijke neiging om in chaos te vervallen, weerstaan. Dit is een grote stap voorwaarts omdat het suggereert dat we kwantumsystemen misschien beter kunnen controleren dan we dachten. Als we deze "regelmatige trajecten" kunnen vinden en stabiliseren, kunnen we kwantuminformatie mogelijk beter beschermen tegen de ruis die het normaal gesproken vernietigt.

De onderzoekers hebben aangetoond dat deze "gemengde faseruimte" niet alleen een theoretisch idee is; het is echt en kan worden waargenomen en gecontroleerd. Ze hebben het niet alleen gesimuleerd; ze hebben het gebouwd, gemeten en gestabiliseerd op een echte kwantumprocessor. Hoewel het systeem dat ze bestudeerden specifiek is, kan de methode die ze gebruikten — een hybride loop van kwantumevolutie en klassieke optimalisatie — een krachtig hulpmiddel zijn voor het verkennen van andere complexe kwantumsystemen. Het is alsocht het vinden van een geheime deur in een chaotische doolhof die leidt naar een vredige tuin, en nu hebben we een kaart en een sleutel om het steeds opnieuw te vinden.