Orkaner, trafikstockningar, demografisk utveckling – att förutsäga effekten av sådana händelser, datorsimuleringar krävs. Många processer i naturen, dock, är så komplicerade att konventionella datorer misslyckas. Kvantsimulatorer kan lösa detta problem. Ett av de grundläggande fenomenen i naturen är samspelet mellan ljus och materia i fotosyntesen. Fysiker vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har nu tagit ett stort steg mot kvantmekanisk förståelse av växternas metabolism. Detta rapporteras i Naturkommunikation tidning.

"En kvantsimulator är det preliminära skedet av en kvantdator. I motsats till en kvantdator, dock, den kan inte göra några beräkningar, men är designad för att lösa ett visst problem, " säger Jochen Braumüller från KIT:s Physikalisches Institut (Institute of Physics). Eftersom fotosyntesens höga effektivitet inte kan förstås helt med klassiska fysikaliska teorier, forskare som Braumüller använder en kvantmodell. Tillsammans med forskare från Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP, Institutet för teoretisk fasta tillståndsfysik), han visade för första gången i ett experiment att kvantsimuleringar av samspelet mellan ljus och materia fungerar i princip.

Interaktionen mellan ljus och materia i fotosyntes kan beskrivas som en interaktion mellan ljusfotoner och materiens atomer på mikroskopisk nivå. Den höga effektiviteten hos denna mekanism på nästan 100 procent tyder på att den är föremål för kvantfysikens regler, vilket är svårt att simulera med klassiska datorer och enkla bitar. I standardberäkningar, information representeras av en switch som kan lagra information som noll eller en. Kvantbitar, däremot, kan anta tillstånden noll och ett samtidigt enligt kvantfysikreglerna. Därav, kvantdatorer eller de enklare kvantsimulatorerna kan lösa problemet snabbare och mer effektivt.

Braumüller och hans medförfattare har nu utvecklat en av de första fungerande komponenterna för en kvantsimulator av ljus-materia-interaktion:supraledande kretsar som kvantbitar representerar atomerna, medan elektromagnetiska resonatorer representerar fotonerna. Fysikerna lyckades åstadkomma en effekt med att kvantbiten och resonatorn antog två motsatta tillstånd samtidigt. "Qubit och resonator är kopplade, " säger Michael Marthaler från KIT:s TFP. "Detta är också anledningen till den exponentiellt förbättrade beräkningskapaciteten jämfört med klassiska datorer." Uppfyllandet av denna grundläggande kvantmekaniska princip har visat genomförbarheten av analog kvantsimulering med supraledande kretsar, säger forskarna.

Som nästa steg, de planerar att utöka sitt system via många andra byggstenar. "Klassisk simulering av detta utökade system skulle ta längre tid än universums ålder, säger Martin Weides, som har lett en arbetsgrupp vid KIT:s Physikalisches Institut sedan 2015. Om den planerade kvantmekaniksimuleringen lyckas, detta kommer att bli en "milstolpe på vägen mot en universell kvantdator."