Temporal-Mode interference type Quantum Photonic computation on curved-time photonic platforms

Stel je voor dat je een geheime boodschap probeert te versturen met behulp van een zaklamp. In de wereld van de standaardfysica heb je twee hoofdwegen om dit te doen: je kunt het licht heel snel aan- en uitzetten (tijd), of je kunt de kleur van het licht veranderen (frequentie). Meestal zijn deze twee zaken strikt aan elkaar gekoppeld: als je het licht ongelooflijk snel wilt laten flitsen, ben je gedwongen om een zeer breed scala aan kleuren te gebruiken, en als je één enkele, zuivere kleur wilt hebben, kun je het niet heel snel laten flitsen. Dit is een fundamentele regel van de natuur die de tijd-frequentie-afruil wordt genoemd, en het werkt als een snelheidslimiet voor hoeveel informatie we in een signaal kunnen verpakken.

Decennialang hebben wetenschappers "tijd" behandeld als een eenvoudige, onveranderlijke klok die op de achtergrond tikt, zoals een metronoom die nooit versnelt of vertraagt. Maar in de vreemde wereld van de kwantummechanica en de relativiteitstheorie is tijd niet alleen een achtergrondklok; tijd kan worden vervormd door zwaartekracht of versnelling. Dit artikel stapt in die fascinerende hoek van de wetenschap waar kwantumfysica en het idee van het buigen van tijd samenkomen. Het stelt een wilde vraag: wat als we een computer zouden kunnen bouwen waarbij de "klok" zelf een variabele is die we kunnen afstemmen, rekken en vormen? In plaats van alleen datastreamen door de tijd te sturen, wat als we de tijd zelf de data maken?

Dit onderzoek, geleid door onafhankelijk onderzoeker Mohammad Mohammadiaria, stelt een nieuwe manier voor om kwantumcomputers te bouwen met behulp van licht en geluid. De kern van het idee is het creëren van een "gekromde-tijd"-platform. Stel je een trampoline voor waarbij het doek niet vlak is; sommige delen zijn strak gespannen en andere zijn losser. In de wereld van dit artikel is het "doek" de tijd zelf. Door speciale materialen zoals kwartskristallen (QCM) of oppervlakte-akoestische golven (SAW) te gebruiken die met hoge snelheden trillen, simuleren de onderzoekers een landschap waarin de "snelheid" van de tijd van de ene plek naar de andere verandert.

In dit landschap van gekromde tijd suggereert het artikel dat tijd zich kan gedragen als een muziekinstrument. Net zoals een gitaarsnaar in specifieke, onderscheidende patronen (harmonischen) kan trillen om verschillende noten te creëren, laten de onderzoekers zien dat deeltjes die gevangen zijn in deze gekromde-tijdzones kunnen trillen in specifieke "temporele modi". Ze noemen deze "temporele eigenstanden". In plaats van dat een deeltje gewoon stilzit of vooruit beweegt, raakt het gevangen in een "tijdput" waar het alleen kan bestaan in specifieke, gekwantiseerde stappen van de tijd, vergelijkbaar met een ladder met sporten gelabeld $|T_0\rangle$, $|T_1\rangle$, $|T_2\rangle$, enzovoort.

De meest opwindende bevinding in deze simulaties is wat er gebeurt wanneer je deze verschillende tijdstappen met elkaar mengt. Wanneer de onderzoekers deze "tijdnoten" combineerden, kregen ze niet alleen een simpel signaal; ze creëerden wat zij "kwantummelodieën" noemen. Ze ontdekten dat door deze toestanden te superponeren, ze complexe interferentiepatronen konden creëren die lijken op muzikale akkoorden, beats en zelfs "ademende" golven. Dit zijn niet alleen mooie plaatjes; ze vertegenwoordigen een nieuwe manier van logica. In een normale computer draai je een schakelaar om een 0 in een 1 te veranderen. In dit gekromde-tijd-systeem "pluk" je aan de tijd-snaar, en de natuurlijke vibratie van het systeem voert de berekening uit.

Het artikel suggereert dat omdat de tijd in deze gekromde zones wordt samengedrukt en uitgerekt, het systeem een enorme hoeveelheid informatie kan genereren. In de standaardfysica is er een limiet aan hoeveel bandbreedte (informatiesnelheid) je kunt krijgen. Maar in deze gekromde-tijd-simulatie zorgt het "samendrukken" van de tijd ervoor dat de frequentie explodeert, wat een spectrum van harmonischen creëert die theoretisch honderden terahertz (THz) kan bereiken. De auteur beschrijft dit als "Fourier-omgekeerd" computergebruik, waarbij de informatie wordt gecodeerd in de geometrie van de tijd zelf in plaats van alleen in de frequentie van een golf.

Het is echter belangrijk om op te merken dat deze resultaten momenteel gebaseerd zijn op numerieke simulaties en theoretische modellen, en nog niet op fysieke experimenten. Het artikel sluit expliciet de mogelijkheid uit dat dit een voltooide technologie is; in plaats daarvan presenteert het een blauwdruk. De onderzoekers erkennen dat real-world materialen zoals grafeen of kwantumdots beperkingen hebben. Bijvoorbeeld, in een echte grafeenchip bij kamertemperatuur zou de "melodie" slechts ongeveer 10 tot 100 femtoseconden duren (een femtoseconde is één quadriljondste van een seconde) voordat het signaal rommelig wordt door warmte en trillingen. In een supergekoeld kwantumdot-systeem zou het signaal misschien iets langer meegaan, bijvoorbeeld tot 10 picoseconden.

Ondanks deze uitdagingen in de echte wereld, schetst het artikel een pad vooruit. Het suggereert dat door ultrafast laserpulsen (50 tot 150 femtoseconden) te gebruiken om deze tijd-snaren te "plukken", we potentieel processors kunnen bouwen die op snelheden opereren die ver boven wat huidige computers kunnen doen liggen. De auteur stelt voor dat dit kan leiden tot een nieuw soort "kwantummuziek" waarbij logische poorten worden samengesteld als liedjes, en informatie wordt getransporteerd door de structuur van de tijd zelf. Hoewel het artikel niet beweert dat deze machine al gebouwd is, biedt het een overtuigend wiskundig en gesimuleerd bewijs dat een dergelijke "gekromde-tijd"-architectuur theoretisch de oude snelheidslimieten van informatie kan doorbreken, waardoor de stroom van de tijd een programmeerbare hulpbron wordt voor de volgende generatie kwantumtechnologie.