Kantsimulatorer, som är kvantdatorer för särskilda ändamål, kommer att hjälpa forskare att identifiera material med nya och användbara egenskaper. Denna lockande framtid har precis tagit ett steg framåt tack vare ett samarbete mellan Google och forskare vid universitet i Kalifornien, Singapore och Grekland.

Det internationella teamet använde fotoner i Googles kvantchip för att simulera det överraskande och vackra mönstret för "Hofstadter -fjärilen", en fraktal struktur som kännetecknar beteendet hos elektroner i starka magnetfält. Resultaten, publicerad 1 december i Vetenskap , visa hur kvantsimulatorer börjar leva upp till sitt löfte som kraftfulla verktyg.

"Vi har alltid haft den här idén att vi kan använda fotoner för att simulera och bättre förstå naturen. Vårt samarbete praktiserar detta, "säger Dimitris Angelakis vid Center for Quantum Technologies, National University of Singapore.

Prestationen utfördes på Googles kedja med nio supraledande kvantbitar (qubits) av samarbetspartners vid Google och University of California Santa Barbara i USA, National University of Singapore och Technical University of Crete, Grekland. Den visar hur en kvantsimulator kan reproducera alla slags exotiska komplexa kvantbeteenden. Detta gör det möjligt för forskare att simulera - och därmed konstruera - material med exotiska elektroniska ledningsegenskaper, möjligen öppnar en rad nya applikationer.

"Med marker som liknar den som användes i detta experiment, vi är intresserade av att studera problem som är kärnan i kondenserad materia, statistisk mekanik, och icke-jämviktsdynamik, "säger Googles Pedram Roushan, en kvantelektronikingenjör.

Hofstadters fjäril dök upp första gången 1976, vid beräkningar av elektroner i ett tvådimensionellt material i ett starkt magnetfält. Fjärilen kartlägger splittringarna och skiftningarna av elektronens energinivåer med förändringar i fältstyrkan. I denna kvantsimulering, fotonerna tog elektronernas roll medan portar på qubits gav en analog av magnetfältet. Fjärilsmönstret kom fram från lagets mått.

Experimentet förlitade sig på teamets uppfinning av en ny spektroskopiteknik som de kallar "hit and listen". Tekniken kartlägger energinivåerna i ljuspartiklar, mikrovågsfoton, lagras i nio qubits.

"Vår metod är som att slå en klocka. Ljudet det ger är en superposition av alla grundläggande övertoner. Genom att slå den i olika positioner några gånger och lyssna på låten tillräckligt länge, man kan lösa de dolda övertonerna. Vi gör samma sak med kvantchipet, slå den med fotoner och sedan följa dess utveckling i tid, "förklarar Angelakis. Teamet såg fjärilen genom att slå qubitsna med en foton i taget.

Teamet slog också qubiterna med två fotoner samtidigt, och gjorde qubiterna oroliga - programmerade en del slumpmässighet i deras egenskaper - för att studera det komplexa fenomenet som kallas 'lokalisering av många kroppar'. Detta är en kvantfasövergång, besläktad med fasförändringen som händer när vatten fryser till is, som avgör om material är ledare eller isolatorer Teamet hittade föregångare till många kroppslokaliseringar genom att tillämpa sin "hit and listen" -teknik på olika ordningar av störning och interaktion.

Att komma till rätta med denna typ av fenomen kan ge en annan väg till att designa användbara nya material med exotiska ledningsegenskaper. Dock, fysiker i allmänhet kämpar för att simulera så komplexa scenarier. Det förutspåddes på 1950 -talet att störning i ett material kunde blockera elektronernas rörelse genom det. Det kallas lokalisering. Men om partiklarna kan interagera med varandra, problemet blir ”många -kropp” - och mycket svårare att modellera.

För bara två fotoner över nio qubits, laget kunde simulera på konventionella datorer vilket beteende man kan förvänta sig, hitta bra överensstämmelse med deras experimentella resultat. Men lägg till bara några fler qubits och problemet blir svårhanterligt för klassiska maskiner.

Det gör möjligheten att större kvantsimulatorer lockar för forskare - de kan ta itu med problem utanför dagens superdatorer.

"Att förstå kvantfaser är fortfarande ett av fysikens olösta mysterier", säger Roushan.