Programming anharmonic potentials in a superconducting harmonic oscillator

In de kwantumwereld gedragen de meest fundamentele bouwstenen van materie zich vaak als perfecte veren. Wanneer een atoom vibreert of een molecuul wiebelt, volgt het vaak een simpel, voorspelbaar ritme dat bekend staat als een harmonische oscillatie. Dit gedrag is zo betrouwbaar dat wetenschappers hele kwantumcomputers rond dit principe hebben gebouwd, waarbij ze deze vibrerende systemen gebruiken als een stabiele basis voor informatieverwerking. Echter, het echte universum is zelden zo eenvoudig. Chemische reacties, de manier waarop moleculen uiteenvallen en de complexe interacties die het leven zelf aandrijven, worden beheerst door krachten die geen perfecte veer volgen. Deze krachten zijn "anharmonisch", wat betekent dat ze hun gedrag veranderen afhankelijk van hoe ver je ze uitrekt of samendrukt. Om deze real-world processen op een kwantumcomputer te simuleren, moeten onderzoekers in staat zijn om deze complexe, niet-lineaire krachten op aanvraag te creëren. Tot nu toe was het ontwerpen van dergelijke specifieke, op maat gemaakte krachten een aanzienlijke hindernis, waarbij vaak unieke hardware nodig was voor elke nieuwe taak.

Een team van onderzoekers heeft nu een flexibele methode gedemonstreerd om deze complexe krachten direct in een supergeleidende kwantumdevice te programmeren. Ze werkten met een kwantumharmonische oscillator, een apparaat dat van nature vibreert als een perfecte veer, en verbonden deze met een piepklein kunstmatig atoom genaamd een transmon-qubit. Door de interactie tussen de twee zorgvuldig te controleren, creëerden ze een systeem dat kan fungeren als een universeel hulpmiddel voor het vormgeven van kwantumkrachten. In plaats van voor elk nieuw type vibratie dat ze wilden bestuderen een nieuwe machine te bouwen, ontwikkelden ze één enkel, herconfigureerbaar circuit. Dit circuit werkt door snelle rotaties van het kunstmatige atoom af te wisselen met precieze verschuivingen van de positie van de oscillator. Door simpelweg de hoeken van de rotaties te veranderen, konden de onderzoekers het apparaat programmeren om een grote verscheidenheid aan complexe potentialen na te bootsen, waardoor de oscillator effectief werd verteld zich te gedragen alsof hij gevangen zat in een op maat gemaakt energielandschap.

Het team testte hun methode eerst door een kubische fasepoort te creëren, een specifiek type kracht dat essentieel is voor het uitvoeren van universele kwantumcomputaties. Ze programmeerden het apparaat om een kracht toe te passen die sterker wordt naarmig de oscillator zich verder van het centrum verwijdert, een gedrag dat onmogelijk is voor een standaard veer. Om te verifiëren of ze succesvol waren, gebruikten ze een techniek genaamd pointwise force reconstruction (puntgewijze krachtreconstructie). Ze stuurden een reeks zachte, goed gedefinieerde probes door het systeem en maten hoeveel de impuls van de oscillator veranderde. Door deze veranderingen in kaart te brengen, waren ze in staat de vorm van de kracht die het apparaat had toegepast te reconstrueren. De resultaten toonden aan dat het apparaat succesvol de beoogde kubische vorm had gecreëerd, waarbij de gemeten kracht binnen een zeer kleine foutmarge overeenkwam met de geprogrammeerde doelstelling. De geproduceerde kwantumtoestanden door deze poort waren zeer complex en niet-standaard, wat bevestigde dat het apparaat de noodzakelijke niet-Gaussische bronnen had gegenereerd die vereist zijn voor geavanceerde kwantuminformatieverwerking.

Bouwend op dit succes, ontwierpen de onderzoekers een familie van dubbele-wel-potentialen (double-well potentials). Dit zijn energielandschappen die eruitzien als een vallei met twee dalen gescheiden door een heuvel, een vorm die cruciaal is voor het begrijpen van hoe deeltjes door barrières tunnelen of hoe chemische bindingen breken en opnieuw vormen. Ze programmeerden het apparaat om een perfect symmetrische dubbele wel te creëren, waarbij beide dalen identiek zijn, en vervolgens de instellingen aanpasten om een asymmetrische versie te maken waarbij één dal dieper is dan het andere. Ze creëerden ook een "gebroken" versie waarbij de heuvel volledig verdween, waardoor slechts één helling overbleef. In elk geval toonde de reconstructie van het krachtprofiel duidelijk de beoogde vorm. Voor de symmetrische versie was de kracht perfect in balans; voor de asymmetrische versie was de balans precies zoals geprogrammeerd verschoven; en voor de gebroken versie verdween de karakteristieke dubbele-dipstructuur. Dit demonstreerde dat het systeem niet alleen complexe vormen kon creëren, maar ook met hoge precisie kon worden afgestemd om de symmetrie van die vormen te wijzigen.

Ten slotte pakte het team een van de meest uitdagende doelwitten aan: het Morse-potentiaal. Dit is een specifiek type kracht dat beschrijft hoe atomen in een molecuul trillen en uiteindelijk uiteen gaan, gekenmerkt door een steile wand aan de ene kant en een zachte, afvlakkende helling aan de andere kant. Deze vorm is fundamenteel anders dan de polynomiale vormen die ze eerder hadden gecreëerd, aangezien het een exponentiële curve betreft. De onderzoekers programmeerden het apparaat om dit potentiaal te benaderen. Hoewel de reconstructie de algemene vorm liet zien, werd de steile, scherpe wand van het Morse-potentiaal niet volledig opgelost. De onderzoekers identificeerden dat deze beperking niet te wijten was aan een fout in hun programmering, maar een gevolg was van de meetmethode zelf. De probes die ze gebruikten hadden een eindige breedte, wat de scherpste details van de kracht afvlakte, vergelijkbaar met hoe een licht onscherpe lens de fijnste randen van een foto niet kan vastleggen.

Door middel van simulaties toonden het team aan dat als ze een ander type probe zouden gebruiken—één die "ge-squeezed" was om veel smaller te zijn in positie—de scherpe wand van het Morse-potentiaal met hoge getrouwheid zou worden hersteld. Deze bevinding bood een duidelijke weg vooruit: de hardware is in staat tot de taak, en de resterende beperking is simpelweg een kwestie van het gebruik van een nauwkeuriger meetinstrument, dat al beschikbaar is in vergelijkbare experimentele opstellingen. Dit werk vestigt een praktische en herconfigureerbare route naar het programmeren van anharmonische potentialen. Door enkel een set rotatiehoeken te variëren, kunnen de onderzoekers schakelen tussen het creëren van kubische krachten, dubbele-wel-vallen en moleculaire vibratiemodellen op hetzelfde stuk hardware. Deze capaciteit opent de deur naar het simuleren van complexe moleculaire dynamica en chemische reacties met een niveau van detail dat voorheen buiten bereik lag, waardoor kwantumsimulatie dichter bij de realiteit van de fysieke wereld komt te staan.