Fysiker utvecklar kvantsimulatorer, för att hjälpa till att lösa problem som är utom räckhåll för konventionella datorer. Dock, de behöver först nya verktyg för att säkerställa att simulatorerna fungerar korrekt. Innsbruck-forskare kring Rainer Blatt och Christian Roos, tillsammans med forskare från universiteten i Ulm och Strathclyde, har nu implementerat en ny teknik i laboratoriet som kan användas för att effektivt karakterisera kvantsimulatorernas komplexa tillstånd. Tekniken, kallas matrisprodukttillståndstomografi, kan bli ett nytt standardverktyg för att karakterisera kvantsimulatorer.

Många fenomen i kvantvärlden kan inte undersökas direkt i laboratoriet, och även superdatorer misslyckas när de försöker simulera dem. Dock, forskare kan nu kontrollera olika kvantsystem i laboratoriet mycket exakt och dessa system kan användas för att simulera andra kvantsystem. Sådana kvantsimulatorer anses därför vara en av de första konkreta tillämpningarna av den andra kvantrevolutionen.

Dock, karakterisering av stora kvanttillstånd, som är nödvändigt för att vägleda utvecklingen av storskaliga kvantsimulatorer, visar sig vara svårt. Den nuvarande guldstandarden för quantum-state karakterisering i laboratoriet - quantum-state tomography - är endast lämplig för små kvantsystem som består av en handfull kvantpartiklar. Forskare från Institutet för experimentell fysik vid universitetet i Innsbruck och Institutet för kvantoptik och kvantinformation vid den österrikiska vetenskapsakademin har nu etablerat en ny metod i laboratoriet som kan användas för att effektivt karakterisera stora kvanttillstånd.

En samverkan

I jonfällor, laddade atomer (joner) kyls till temperaturer nära absolut noll och manipuleras med hjälp av lasrar. Sådana system representerar ett lovande tillvägagångssätt för att utföra kvantsimuleringar som kan gå utöver kapaciteten hos moderna superdatorer. Innsbrucks kvantfysiker är bland de världsledande inom detta område och kan för närvarande snärja in 20 eller fler joner i sina fällor. För att fullt ut karakterisera sådana stora kvantsystem, de behöver nya metoder. För detta, teoretiker kring Martin Plenio från universitetet i Ulm, Tyskland, kom till deras hjälp. År 2010, Plenio-teamet föreslog en ny metod för karakterisering av komplexa kvanttillstånd som kallas matris-produkt-tillståndstomografi. Med denna metod, tillståndet för en grupp av intrasslade kvantpartiklar kan uppskattas exakt utan att ansträngningen ökar dramatiskt när antalet partiklar i gruppen ökar. I samarbete med teamen kring Martin Plenio från Ulm och Andrew Daley från University of Strathclyde i Skottland, Innsbruck experimentella fysiker runt Christian Roos, Ben Lanyon och Christine Maier har nu implementerat denna procedur i laboratoriet.

Effektivare mätningar

Som ett testfall, fysikerna byggde en kvantsimulator med upp till 14 kvantbitar (atomer), som först bereddes i ett enkelt initialt tillstånd utan kvantkorrelationer. Nästa, forskarna trasslade in atomerna med laserljus och observerade den dynamiska fortplantningen av intrassling i systemet. "Med den nya metoden, vi kan bestämma kvanttillståndet för hela systemet genom att bara mäta en liten del av systemets egenskaper, " säger START-pristagaren Ben Lanyon. Teoretikerna kring Martin Plenio tog karakteriseringen av det globala kvanttillståndet från de uppmätta data:"Metoden bygger på det faktum att vi teoretiskt kan beskriva lokalt fördelad intrassling väl och nu också kan mäta den. i laboratoriet."

När Rainer Blatts arbetsgrupp insåg den första kvantbyten 2005, fler än 6, 000 mätningar krävdes för karakterisering av kvanttillståndet, tas under en period av tio timmar. Den nya metoden kräver endast 27 mätningar för att karakterisera samma storlekssystem, tagit över cirka 10 minuter. "Vi kunde visa att den här metoden kan användas för att identifiera stora och komplexa kvanttillstånd effektivt, säger Christine Maier, en teammedlem från Innsbruck. Nu vill forskarna vidareutveckla algoritmerna så att de även kan användas flexibelt av andra forskargrupper.

Ny guldmyntfot

Den nya metoden tillåter fullständig karaktärisering av system som innehåller ett stort antal korrelerade kvantpartiklar och ger därmed ett jämförelsealternativ för kvantsimuleringar. "Vi kan använda den nya tekniken för att kalibrera kvantsimulatorer, genom att jämföra tillstånden som vi hittar i labbet med de som förväntas från analytiska beräkningar, " förklarar Christian Roos. "Då vet vi om simulatorn gör vad vi vill." Den nya metoden erbjuder läkare ett verktyg för många tillämpningar och kan bli en ny standard för kvantsimuleringar.