Ny kvantteoretisk forskning, ledd av akademiker vid University of St Andrews School of Physics, skulle kunna förändra hur forskare förutsäger hur kvantpartiklar beter sig.

Kvantteorin är en hörnsten i modern fysik, förklara beteendet hos isolerade partiklar, som elektronerna som kretsar kring atomer. Det har visat oss att kvantpartiklar har stor potential för tillämpningar, såsom kraftfulla kvantdatorer med potential att lösa komplexa problem mycket snabbare än konventionella datorer.

Under de senaste åren har möjligheten att använda kvantpartiklarnas tillstånd för att hålla information har blivit verklighet i laboratoriet. Detta har lett till utvecklingen av kvantprocessorer gjorda av bara några få kvantbitar, 'qubits' - partiklar som lagrar ett visst kvanttillstånd. Till skillnad från bitarna i konventionella datorer, som kan vara antingen noll eller ett, en qubit kan vara i en "superposition" av noll och en samtidigt. Om beräkningar kan göras på denna överlagring, det tillåter vissa problem, som att söka i databaser ska göras snabbare än på vanliga datorer.

Den nya forskningen, publicerad i Naturkommunikation (måndag 20 augusti), som fokuserade på beteendet hos enskilda qubits, öppnar möjligheten till mer trogna simuleringar av nästa generations kvantprocessorer och kan tillåta nya insikter om kvantmekanik och utveckling av kraftfulla kvantdatorer.

Studien, ledd av teoretiska fysiker, Dr Brendon Lovett och Dr Jonathan Keeling, noterade att om riktiga qubits betedde sig som lärobokens qubits, uppdraget att bygga en kvantdator skulle vara lätt. Dock, till skillnad från läroboksmodellerna av qubits, verkliga qubits är aldrig riktigt isolerade, de interagerar kontinuerligt med det stora antalet andra partiklar i världen. Detta betyder att det är mycket svårt att försöka skapa en matematisk modell av en qubits beteende. eftersom vi nu också behöver hålla koll på vad resten av världen gör också. För att göra detta krävs uttryckligen en mängd information som inte kan lagras, även på de största datorerna vi har. För att undvika detta, enkla modeller av interaktionen mellan enskilda qubits och resten av världen används ofta, men dessa kan missa avgörande effekter.

Dr. Lovett sa:"Vår forskning har hittat ett banbrytande nytt sätt att behålla den mest relevanta informationsfraktionen, tillåter en exakt beskrivning av qubitens beteende även på en vanlig bärbar dator. Detta arbete öppnar inte bara upp möjligheten till mer trogna simuleringar av nästa generations kvantprocessorer utan kan ge oss helt nya insikter om hur kvantmekaniken fungerar när många partiklar sätts ihop."

Uppsatsen "Effektiv icke-markovisk kvantdynamik med användning av tidsutvecklande matrisproduktoperatörer" publiceras i Naturkommunikation .