Het butterfly effect bestaat niet in de quantumwereld. En dat is goed nieuws voor wetenschappers die zich bezighouden met quantumcomputers en quantuminformatie.
Als je de bits van een quantumcomputer terug in de tijd laat reizen en een indringer in het verleden ernaar laat gluren, heeft dat dan grote consequenties voor het heden? Nee, zo blijkt uit een nieuwe studie: dit zogenoemde butterfly effect of vlindereffect bestaat niet in de quantummechanica. Dat geeft natuurkundigen die werken aan quantumcomputers de mogelijkheid om te testen of hun computer wel écht quantum is.
Butterfly effect
In A Sound of Thunder, een sciencefictionverhaal van Ray Bradbury in 1952, reist een jager 66 miljoen jaar terug in de tijd om een dinosaurus te doden die kort daarna toch al zal sterven. Aangekomen in het verleden gaat hij echter per ongeluk op een vlinder staan. Vervolgens keert hij terug naar het heden en treft hij een compleet nieuwe wereld aan.
De theorie dat een kleine, plaatselijke verandering in het verleden voor een compleet andere uitkomst in het heden kan zorgen, heet het butterfly effect. Naast sciencefiction heeft ook natuurkunde zijn voorbeelden van dit effect. Zo veronderstelde meteoroloog Edward Lorenz dat de vleugelslag van een vlinder in het ene land indirect een tornado kan veroorzaken in het andere land.
Quantuminformatie is erg kwetsbaar, waardoor je zou kunnen denken dat het butterfly effect ook aanwezig is in de wereld van quantumcomputers. Onderzoek, zowel theoretisch als experimenteel, van natuurkundigen Bin Yan en Nikolai Sinitsyn van het Los Alamos National Laboratory, bewijst het tegendeel.
Tijdreizende qubits
In hun experiment met een IBM-Q-quantumprocessor bewaart Alice, een fictief personage, informatie op een qubit – het soort bit waar een quantumcomputer mee rekent. Vervolgens voeren de wetenschappers een operatie uit waarin de qubit van Alice samen met andere qubits wordt ‘teruggespoeld in de tijd’. Dat is een analogie die de onderzoekers gebruiken om hun methode uit te leggen. ‘We simuleerden een aantal transformaties waarmee interactie ontstaat tussen de qubits’, legt Yan uit. Daarbij raakt de qubit van Alice verstrengeld met andere qubits. Dat houdt in dat de qubit van Alice en de andere qubits, ongeacht de onderlinge afstand, met elkaar verbonden zijn, zodat ze zich als één object gedragen.
Bob, een fictieve indringer ‘uit het verleden’, meet dan de qubit van Alice. Volgens de wetten van de quantummechanica verstoort deze meting de qubit van Alice en verdwijnt de verstrengeling tussen de qubit van Alice en de andere qubits. Daarna worden de qubits vooruitgespoeld naar de beginsituatie.
De onderzoekers benadrukken dat de qubits niet echt door de tijd reizen. Yan: ‘Om terug in de tijd te reizen met een quantumcomputer, draaien we de volgorde van de transformaties om. Wanneer we de omgekeerde versie van een operatie toepassen, zeggen we dat de qubits naar het verleden reizen.’
Wat is het resultaat van dit experiment? Wanneer de qubits terug naar de beginsituatie reizen, zou de door Bob veroorzaakte schade tijdens de operatie versterkt kunnen worden door het butterfly effect, zoals in het verhaal van Bradbury. Dit zou betekenen dat de informatie van de qubit van Alice onvindbaar is. Uit het experiment blijkt echter dat een meting in het verleden de qubits nauwelijks aantast.
Informatie beschermen
Waarom is dit relevant? Met het inzicht dat het butterfly effect niet bestaat in de quantumwereld kun je testen of een quantumcomputer daadwerkelijk quantummechanica gebruikt om informatie te verwerken. ‘Alleen een quantumcomputer die werkt volgens de principes van de quantummechanica zal het butterfly effect niet vertonen. Een klassieke computer zou de test niet doorstaan’, zegt Yan.
‘Deze methode is zeer geschikt om te testen of een programma dat op een quantumcomputer draait geen last heeft van fouten waardoor het ‘quantumgehalte’ van de berekening verloren gaat. Dan had de berekening dus net zo goed op een klassieke computer uitgevoerd kunnen worden’, vertelt natuurkundige Carlo Beenakker van de Universiteit Leiden, die niet bij het onderzoek betrokken was. ‘Het alternatief is om te kijken naar de snelheid waarmee de quantumcomputer de berekening uitvoert. Als geen enkele gewone computer die snelheid haalt, dan heb je ook een overtuigend bewijs.’
Naast het testen van quantumcomputers, is dit onderzoek ook relevant voor het beschermen van informatie, zegt Yan. ‘Het toepassen van operaties zoals in ons experiment, kan qubits blijkbaar beschermen tegen wijzigingen.’
Beenakker is kritisch over hoe vernieuwend het onderzoek is. Volgens hem is de studie een uitwerking van een bekend gegeven dat chaos, de oorzaak van het butterfly effect, niet bestaat in quantumfysica. ‘Chaos is een eigenschap van de klassieke wereld, niet van de quantumwereld.’
