In de laboratoria waar wetenschappers de kleinste bouwstenen van de natuur bestuderen, zoals atomen en moleculen, is het vermogen om tijd te beheersen even cruciaal als het vermogen om ruimte te beheersen. Onderzoekers in de atomaire, moleculaire en optische fysica hebben machines gebouwd die individuele atomen kunnen vangen en ze kunnen koelen tot temperaturen van slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt. Om deze delicate systemen te laten werken, moeten ze een snelle reeks elektronische signalen naar lasers, shutters en magneten sturen, waarbij ze elk onderdeel precies vertellen wanneer het aan moet gaan, hoe lang het aan moet blijven en wanneer het de sterkte moet veranderen. Deze signalen moeten perfect gesynchroniseerd zijn, vaak herhalend met een precisie van één miljoenste van een seconde. Zonder dit niveau van timing zouden de atomen ontsnappen, zouden de metingen mislukken en zou het experiment niets anders opleveren dan ruis.

Decennialang was het schrijven van de instructies voor deze machines een moeilijke en foutgevoelige taak. Wetenschappers moesten code schrijven die direct tegen de hardware sprak, waarbij elke enkele stap werd berekend door de duur van elke voorgaande stap bij elkaar op te tellen. Als ze de lengte van één stap wilden veranderen, moesten ze handmatig de starttijd voor elke volgende stap opnieuw berekenen, een proces dat tijdrovend en foutgevoelig was. Deze rigide manier van werken maakte het moeilijk om oude experimenten te hergebruiken of ze met andere onderzoekers te delen, aangezien de code nauw verbonden was met de specifieke machine waarvoor deze geschreven was. Een team van natuurkundigen van het Wigner Research Centre for Physics in Boedapest, samen met collega's in Kopenhagen, heeft een nieuwe manier geïntroduceerd om dit probleem op te lossen. Ze ontwikkelden een softwaretool genaamd Wigner Time, die het experiment niet behandelt als een rigide programma, maar als een flexibele lijst van gegevens. Door de focus te verleggen van het schrijven van complexe code naar het organiseren van eenvoudige tabellen met informatie, hebben ze het mogelijk gemaakt om precieze experimenten te ontwerpen die gemakkelijker te lezen, gemakkelijker te wijzigen en vijf keer sneller uit te voeren zijn.

De kern van deze nieuwe aanpak is om niet langer te denken over tijd als een lopende klok die constant in de code moet worden bijgewerkt. In plaats daarvan beschrijven de onderzoekers het experiment als een reeks updates van een tabel. Stel je een spreadsheet voor waarin elke rij een enkel moment in het experiment vertegenwoordigt, met een lijst van welk apparaat wordt aangestuurd, welke waarde het moet hebben en wanneer die verandering moet plaatsvinden. In dit systeem hoeft de wetenschapper niet te weten op welke exacte seconde een stap zal beginnen; ze zeggen simpelweg dat een stap moet beginnen wanneer de vorige eindigt. De software handelt de wiskunde van het optellen van de tijden automatisch af. Deze methode zorgt ervoor dat de beschrijving van het experiment gescheiden blijft van de specifieke hardware die het uiteindelijk zal aansturen. De wetenschapper kan het hele ontwerp maken met behulp van een populaire programmeertaal genaamd Python, die bekend is bij veel onderzoekers, en vervolgens de software de opdracht geven om dat ontwerp op het allerlaatste moment te vertalen naar de specifieke taal die de machine vereist.

Deze scheiding tussen ontwerp en hardware biedt verschillende duidelijke voordelen. Ten eerste maakt het het experiment veel gemakkelijker te begrijpen. Op de oude manier van werken was de code vol met getallen en berekeningen die de werkelijke fysica van het experiment verborgen. Met de nieuwe datagestuurde aanpak ziet de code eruit als een duidelijke lijst met instructies, waarbij het doel van elke stap duidelijk is. Als een onderzoeker de duur van een koelfase wil veranderen, kan hij simpelweg één getal aanpassen, en de software zal alle daaropvolgende stappen automatisch verschuiven zodat ze er correct op volgen. Er is geen noodzaak om de starttijden voor de rest van het experiment handmatig opnieuw te berekenen. Deze flexibiliteit betekent ook dat dezelfde set instructies kan worden gebruikt voor verschillende machines of kan worden gedeeld tussen verschillende laboratoria zonder dat deze vanaf nul opnieuw geschreven hoeven te worden.

De onderzoekers testten dit nieuwe systeem op twee koude-atoomopstellingen, complexe machines die worden gebruikt om atomen te vangen en te bestuderen. Ze vervingen de oude, handgeschreven besturingsprogramma's door de nieuwe Wigner Time-software. De resultaten waren onmiddellijk en aanzienlijk. Het nieuwe systeem stelde de machines in staat om met een temporele resolutie te werken die vijf keer beter was dan voorheen. Voorheen kon het systeem de hardware elke vijf microseconden bijwerken, maar met de nieuwe aanpak kon dit elke microseconde. Deze verbetering was niet alleen een kwestie van snelheid; het kwam voort uit een fundamentele verandering in de manier waarop de computer de instructies verwerkte. In het oude systeem moest de computer bij elke controle van de klok complexe berekeningen uitvoeren binnen een nauwe lus, wat het proces vertraagde. In het nieuwe systeem worden de berekeningen vooraf uitgevoerd om de volledige lijst met updates te creëren, zodat de computer alleen de volgende instructie hoeft op te zoeken en te verzenden. Deze verschuiving van het berekenen tijdens het uitvoeren naar het opzoeken van vooraf berekende gegevens bevrijdde het systeem om veel sneller te draaien.

Naast de snelheidswinsten veranderde de nieuwe methode de manier waarop wetenschappers met hun experimenten omgaan. Omdat de tijdlijn wordt opgeslagen als een eenvoudige tabel met gegevens, kan deze gemakkelijk worden geïnspecteerd, gewijzigd en gevisualiseerd. Onderzoekers kunnen de hele reeks gebeurtenissen in een duidelijk, georganiseerd formaat bekijken, wat het veel gemakkelijker maakt om fouten op te sporen of te begrijpen wat de machine aan het doen is. Het systeem maakt ook de creatie van herbruikbare bouwstenen mogelijk. Een wetenschapper kan een functie schrijven om een specifieke taak uit te voeren, zoals het vangen van atomen of het maken van een foto, en diezelfde functie vervolgens in veel verschillende experimenten gebruiken. Als de parameters van die taak moeten veranderen, hoeft de wetenschapper alleen de functiedefinitie bij te werken, en elk experiment dat deze gebruikt, zal de wijziging automatisch reflecteren. Deze modulariteit maakt het mogelijk om complexe experimenten te bouwen uit eenvoudige, goed geteste onderdelen, vergelijkbaar met het assembleren van een structuur uit standaard bakstenen in plaats van elke steen met de hand uit te houwen.

Het team achter Wigner Time heeft hun software als een open-source pakket beschikbaar gesteld aan het publiek, zodat andere onderzoekers het kunnen gebruiken en verbeteren. Ze hebben het al meer dan twee jaar succesvol gebruikt in hun eigen laboratoria, wat bewijst dat de aanpak werkt onder reële omstandigheden. De software is ontworpen om met verschillende soorten hardware te werken, niet alleen met de specifieke machine die zij voor hun tests gebruikten. Hoewel de huidige versie is geoptimaliseerd voor een specifiek timingsysteem, is het onderliggende ontwerp flexibel genoeg om aan andere apparaten te worden aangepast. Deze aanpasbaarheid is cruciaal voor de toekomst van het vakgebied, aangezien nieuwe hardware en nieuwe experimentele technieken blijven verschijnen. Door een gemeenschappelijke taal te bieden voor het beschrijven van experimenten, helpt de software de barrières tussen verschillende laboratoria en verschillende onderzoeksgroepen te doorbreken.

Het succes van Wigner Time toont aan dat de beste manier om een technisch probleem op te lossen soms is om de manier waarop we erover denken te veranderen. In plaats van te proberen de computer sneller of de code complexer te maken, kozen de onderzoekers voor het vereenvoudigen van de beschrijving van het experiment zelf. Door de tijdlijn als data in plaats van code te behandelen, creëerden ze een systeem dat robuuster, flexibeler en krachtiger is. Deze aanpak heeft al geleid tot tastbare verbeteringen in de prestaties van hun experimenten, waardoor ze de wereld van atomen met meer helderheid en precisie kunnen waarnemen. Naarmate het veld van de kwantumwetenschap blijft groeien, zullen instrumenten zoals deze essentieel zijn voor het beheren van de toenemende complexiteit van experimenten en voor het mogelijk maken van de volgende generatie ontdekkingen. Het werk laat zien dat met de juiste instrumenten zelfs de meest veeleisende taken eenvoudiger en efficiënter kunnen worden gemaakt, wat de deur opent naar nieuwe mogelijkheden in het onderzoek naar de fysieke wereld.