Kvantmekanikens regler beskriver hur atomer och molekyler fungerar mycket annorlunda än omvärlden. Forskare har gjort framsteg mot att reta ut dessa regler - avgörande för att hitta sätt att göra nya molekyler och bättre teknik - men vissa är så komplexa att de undviker experimentell verifiering.

Med tillkomsten av open-access kvantdatorer, forskare vid University of Chicago såg en möjlighet att göra ett mycket ovanligt experiment för att testa några av dessa kvantprinciper. Deras studie, som dök upp 31 januari Naturkommunikation Fysik , kapar i huvudsak en kvantdator för att upptäcka grundläggande sanningar om elektronernas kvantbeteende i molekyler.

"Quantum computing är ett riktigt spännande område att utforska grundläggande frågor. Det gör att vi kan observera aspekter av kvantteori som är helt orörliga med klassiska datorer, "sade prof. David Mazziotti, professor i kemi och författare på tidningen.

En särskild regel för kvantmekanik, kallade Pauli -uteslutningsprincipen, är att två elektroner inte kan inta samma position i rymden samtidigt. I många fall, en molekyls elektroner upplever ytterligare begränsningar på sina platser; dessa är kända som de generaliserade Pauli -begränsningarna. "Dessa regler informerar hur alla molekyler och materia bildas, sa Mazziotti.

I den här studien, Mazziotti, Prof. David Shuster och doktoranden Scott Smart skapade en uppsättning algoritmer som skulle be IBM:s Q Experience-dator slumpmässigt generera kvanttillstånd i tre-elektronsystem, och sedan mäta var elektronerna troligen finns.

"Antag att de generaliserade Pauli -begränsningarna inte var sanna:I det scenariot, ungefär hälften av kvanttillstånden skulle uppvisa en kränkning, "sa Smart, den första författaren på tidningen. Istället, i de många kvanttillstånd som bildas, de fann att kränkningar av generaliserade Pauli -begränsningar inträffade mycket sällan i ett mönster som överensstämde med brus i kvantkretsen.

Resultaten ger stark experimentell verifiering, sa forskarna.

"De enklaste generaliserade Pauli -begränsningarna upptäcktes teoretiskt på en klassisk dator hos IBM i början av 1970 -talet, så det är lämpligt att de för första gången skulle verifieras experimentellt på en IBM -kvantdator, "Sa Mazziotti.

Upptäckten är ytterligare ett genombrott vid gränsen för kvantansträngningar vid universitetet; de senaste insatserna har inkluderat en tre-laboratorium kvant "teleporter, "steg mot mer kraftfulla kvantsensorer, och ett samarbete för att utveckla algoritmer för nya kvantdatorer.

En öppen fråga är hur de generaliserade Pauli -begränsningarna kan vara användbara för att förbättra kvanttekniken. "De kommer potentiellt att bidra till att uppnå effektivare kvantberäkningar samt bättre felkorrigeringsscheman - avgörande för att kvantdatorer ska nå sin fulla potential, "Sa Mazziotti.