Local error correction prolongs time-crystalline memory

In de stille, gecontroleerde wereld van de kwantumfysica leren onderzoekers machines te bouwen die niet alleen getallen berekenen, maar het gedrag van materie zelf simuleren. Deze kwantumsimulatoren fungeren als controleerbare laboratoria waar wetenschappers kunnen zien hoe groepen deeltjes met elkaar interageren, wat een inkijkje biedt in complexe gedragingen die zelfs voor de krachtigste klassieke computers te moeilijk te voorspellen zijn. Onder de meest fascinerende verschijnselen die zij bestuderen behoren "tijdkristallen". In tegenstelling tot gewone kristallen, zoals diamant of zout, die hun atomaire patronen in de ruimte herhalen, herhalen tijdkristallen hun patronen in de tijd. Het is een aggregatietoestand van materie die, wanneer deze een regelmatige duw krijgt, een ritme aanneemt dat niet overeenkomt met die duw. In plaats van bij elke duw terug te springen naar de oorspronkelijke staat, wisselt het systeem heen en weer in een stabiele, herhalende cyclus die veel langer duurt dan de energie-input normaal gesproken zou toelaten. Dit gedrag is een vorm van orde die de gebruikelijke neiging van systemen om energie te verliezen en tot rust te komen tart, maar in de echte wereld worden deze delicate ritmes gemakkelijk verbroken door ruis en imperfecties in de apparatuur.

Een team van natuurkundigen aan de TU Dortmund University heeft nu een manier gevonden om dit fragiele ritme veel langer te beschermen dan voorheen. Door gebruik te maken van een supergeleidende kwantumprocessor testten zij een methode van "lokale foutcorrectie" op een model van interagerende spins gerangschikt in een honingraatpatroon. In hun experiment pasten de onderzoekers een reeks pulsen toe op een groep van maximaal 68 fysieke qubits, de basiseenheden van informatie in de kwantumcomputer. Zonder enige interventie zouden de natuurlijke ruis van de machine en de imperfecties in de pulsen ervoor zorgen dat het ritme van het tijdkristal snel zou vervagen. De onderzoekers introduceerden echter een nieuwe strategie: zij voegden een laag van actieve monitoring en correctie toe die plaatsvond tijdens de simulatie zelf. Zij gebruikten extra qubits, genaamd ancilla's, om constant de relaties tussen hun buren te controleren zonder de algehele toestand te verstoren. Als de controle een kleine fout onthulde, zoals een enkele spin die de verkeerde kant op klapte, paste het systeem onmiddellijk een gerichte correctie toe om het te herstellen. Dit proces was niet perfect; het werd stochastisch toegepast, wat betekent dat het met een bepaalde waarschijnlijkheid gebeurde in plaats van bij elke stap, en het richtte zich uitsluitend op het herstellen van bit-flip fouten, terwijl andere soorten fouten ongemoeid werden gelaten.

De resultaten toonden aan dat deze actieve interventie de levensduur van het tijdkristalgeheugen aanzienlijk verlengde. Wanneer de onderzoekers deze correctie toepasten met een hoge activatiekans, duurde het ritme van het systeem bijna twee keer zoveel cycli vergeleken met wanneer zij dezelfde simulatie zonder enige correcties zouden uitvoeren. Op de kleinere testpatch nam de vervaltijd van het geheugen toe van ongeveer 66 cycli naar 133 cycli. Op de grotere patch was de verbetering nog dramatischer wat betreft de ruimtelijke orde; terwijl de ongestoorde aandrijving de spins grotendeels ongeordend liet, behield het gecorrigeerde systeem een sterke uitlijning over het gehele rooster. De onderzoekers observeerden dat de correctie de spins niet alleen in de tijd hield, maar ook in hun positie ten opzichte van elkaar; het onderdrukte de "discordante bindingen" waarbij buren in tegengestelde richtingen wezen. Interessant genoeg ontdekten zij dat het simpelweg meten van het systeem zonder de fouten te herstellen, het verval van het geheugen juist versnelde, wat bewees dat de handeling van de correctie zelf, en niet alleen de observatie, de orde in stand hield.

De studie onthulde ook hoe het systeem zich gedraagt wanneer de aandrijfpulsen niet perfect zijn afgestemd. Wanneer de onderzoekers de pulshoek aanpasten naar een instelling waarbij het tijdkristalritme theoretisch gezien zou verdwijnen, kon de correctiemethode het globale flapperende patroon niet langer in stand houden. Het temporele geheugen ging verloren, maar de lokale uitlijning van de spins bleef verrassend sterk. Dit suggereert dat hoewel de correctie kleine, lokale fouten kan herstellen, zij niet in staat is om de fundamentele verhitting en wanorde te overwinnen die optreden wanneer het systeem te ver van zijn ideale staat wordt gedreven. Bovendien analyseerden de onderzoekers de distributie van de spinconfiguraties en vonden zij dat de correctie de neiging had om grote, verbonden regio's van omgekeerde spins te creëren in plaats van verspreide, willekeurige fouten. Dit geeft aan dat het systeem niet alleen individuele fouten herstelde, maar ook grootschalige structuren in stand hield, zelfs als die structuren soms volledig omgedraaid waren.

Om de diepere aard van deze behouden toestand te begrijpen, bekeken het team de kwantumverstrengeling tussen kleine groepen qubits. Zij vonden dat het correctieproces hielp om deze kwantumverbindingen gedurende langere perioden in stand te houden, vooral wanneer het systeem zich dicht bij het ideale tijdkristalregime bevond. Echter, naarmate het systeem zich verder van dit regime bewoog, begon de verstrengeling te vervagen en kon de correctie niet langer voorkomen dat het systeem in een chaotische, thermische toestand verviel. De onderzoekers concludeerden dat hoewel lokale foutcorrectie een krachtig instrument is om de levensduur van niet-evenwichtige kwantumtoestanden te verlengen, het geen magisch schild is tegen alle vormen van verval. Het werkt het beste wanneer de onderliggende fysica de orde ondersteunt, en het vereist een zorgvuldige balans tussen meting en interventie om effectief te zijn. Door aan te tonen dat lokale herstelprocessen de tijdkristalgeheugen meer dan dubbel zo lang kunnen behouden als de ongecorrigeerde dynamiek, vormt dit werk een concrete stap naar het bouwen van robuustere kwantumsimulatoren die in staat zijn complexe fysieke verschijnselen over langere tijdschalen te verkennen.