En internationell grupp av forskare, inklusive UvA-fysikern Michael Walter, har tagit fram nya metoder för att skapa intressanta ingångstillstånd för kvantberäkningar och simuleringar. De nya metoderna kan användas för att simulera vissa elektroniska system till godtyckligt hög noggrannhet. Resultaten publicerades i den ledande tidskriften Fysisk granskning X Denna vecka.

När vi tänker på information, vi tänker ofta på klassiska datorbitar:enheter som kan lagra antingen en "0" eller en "1" och som kan manipuleras för att göra beräkningar. Nyligen, dock, fysiker blir mer och mer intresserade av kvantinformationsteori, där de grundläggande enheterna för information är kvantbitar, eller qubits för kort. Qubits - små snurrande elektroner, till exempel – har två egenskaper som gör dem ännu mer intressanta än sina klassiska motsvarigheter. För det första, de behöver inte vara exakt "0" eller "1" (snurrar medurs eller moturs, till exempel), men de kan vara i mer komplicerade superpositioner, något som "har 30 % sannolikhet att snurra medurs och 70 % att snurra moturs". Dessutom, qubits kan dela information med varandra:sannolikheterna för en qubit kan bero på sannolikheterna för en annan qubit (i fysikspråk, qubitarna är intrasslade).

Simulering av kvantfysik

Tillsammans, dessa två egenskaper gör kvantinformation mycket mer flexibel och potentiellt mycket kraftfullare än klassisk information. kvantdatorer, till exempel, kan göra beräkningar som vi inte vet hur vi ska utföra med vanliga datorer även om vi hade miljarder år av beräkningstid – det berömda exemplet är kodknäckning genom primfaktorisering av stora tal. Men kvantdatorer är inte bara användbara för att lösa matematiska problem; de kan också vara mycket användbara för fysiker. Simulering av kvantsystem, till exempel, är ganska genomarbetat i en vanlig dator. Till sin natur, framtida kvantdatorer kommer att vara mycket mer välutrustade för att göra sådana simuleringar.

De senaste framstegen i förståelsen av kvantinformationens fysik har lett till nya metoder för att simulera kvantfysik, både på befintliga klassiska datorer och på framtida kvantdatorer. Avgörande för denna utveckling är operativa procedurer för att förbereda intressanta kvanttillstånd som skulle kunna fungera som input för dessa beräkningar och simuleringar. Ett särskilt spännande mål är, till exempel, att beskriva de fysikaliska egenskaperna hos elektronsystem. Elektroniska egenskaper är viktiga både för kemi och för materialvetenskap, men dessa egenskaper har visat sig vara mycket svåra att beräkna med traditionella metoder.

En internationell grupp forskare har nu gjort betydande framsteg i denna fråga. Bland dem är UvA-fysikern Michael Walter, för närvarande biträdande professor vid QuSoft-institutet i Amsterdam, och tidigare postdoktor vid Stanford, där en stor del av hans arbete utfördes.

Walter och hans kollegor har hämtat insikter från många kroppsfysik, kvantinformationsvetenskap, och signalbehandling för att härleda nya beredningsprocedurer för flera icke-triviala kvanttillstånd. Resultaten har formen av "kvantkretsar", som är sekvenser av fysiska operationer som förbereder ett intressetillstånd från ett enkelt initialtillstånd. Uppsatsen betraktar särskilt en klass av metalliska tillstånd som har visat sig vara utmanande att ta itu med på grund av deras höga grad av kvantintrassling. Genom sina metoder, forskarna har nu lyckats ge förberedelser för dessa tillstånd.

De nya resultaten, som publicerades i Fysisk granskning X Denna vecka, är anmärkningsvärda eftersom metoderna inte bara verkar fungera; författarna kan faktiskt bevisa matematiskt att de måste fungera. Resultaten utgör en språngbräda för framtida kvantberäkningar:tidningens tekniker kommer troligen att fungera som ett nyckelelement för att ta itu med mer komplexa elektroniska tillstånd som inkluderar effekterna av elektroninteraktioner.