Ett internationellt samarbete mellan kvantfysiker från University of Bristol, Microsoft, Google, Imperial College, Max Planck Institute, och Sun Yat-sen University har introducerat en ny algoritm för att lösa kvantsystemens energistruktur på kvantdatorer.

De har testat denna algoritm på en kiselkvantonfotonprocessor som utför beräkningen med hjälp av fotoner, elementära ljuspartiklar.

Energistrukturen i ett kvantsystem består av kvantiserade energinivåer, den lägsta energinivån kallas marktillstånd, medan de högre energinivåerna kallas upphetsade tillstånd.

Särskilt, denna nya algoritm kan hitta de upphetsade tillstånden på ett sätt som inte verkar ha någon direkt analog på en klassisk dator, ger ett nytt sätt att studera fysik och kemi på mikroskopisk nivå.

Grundläggande kemiska och fysikaliska egenskaper hos system kan kännetecknas av att hitta en särskild uppsättning kvantiserade tillstånd som kallas egenstater som innehåller systemets marktillstånd (tillståndet med minimal energi) och upphetsade tillstånd (stationära tillstånd med högre energier).

Författare Jarrod McClean, från Googles Quantum AI Lab, sade:"Att expandera verktygssatsen för upphetsade tillstånd är avgörande om vi vill att kvantdatorer ska göra meningsfulla bidrag till viktiga områden som solceller och batterier."

Det förväntas att stora kvantdatorer kommer att kunna simulera komplexa kemiska system, en uppgift omöjlig för klassiska datorer, öka vår kunskap om fysik och kemi.

Forskningen, publicerad idag i tidningen, Vetenskapliga framsteg , leddes av forskare från University of Bristol's School of Physics.

Huvudförfattaren Dr Raffaele Santagati sa:"I detta arbete tillhandahåller vi ett nytt verktyg för att studera egenskaper hos kvantsystem med kvantdatorer."

Detta mål uppnås genom att införa ett tillvägagångssätt för kvantsimulering baserat på det nya begreppet "egenstatens vittne", en kvantitet som detekterar om ett givet kvanttillstånd ligger nära en egen stat i systemet eller inte.

Dr Jianwei Wang, även från University of Bristol, tillade:"Vi har framgångsrikt testat protokollet för ett proof-of-concept-fodral i ett kiselkvantonfotonchip, visar dess tillämpbarhet för att simulera mer komplexa system i realistiska kortsiktiga kvantanordningar. "

Strax efter Bristol -demonstrationen en annan metod har experimentellt demonstrerats av Dr Jeremy Colless och kollegor från UCA i Berkeley, med hjälp av supraledande qubits.

Forskarna förutser att de viktigaste resultaten av detta dokument kommer att främja forskning mot förbättringar av den föreslagna algoritmen och ökningen av nya applikationer.

Avancerade kvantdatorer låser upp kraftfulla applikationer, och detta förväntas vara möjligt inom de närmaste decennierna, när kvantdatorer med cirka 200 qubits kommer att finnas tillgängliga.

Dr Santagati tillade:"Vidareutveckling av integrerad kvantfotonik, förverkliga mer komplexa enheter, kommer att möjliggöra mer användbara fotoniska kvantsimulatorer. "