Tänk dig att fastna i en labyrint och vilja hitta din väg ut. Hur skulle du gå vidare? Svaret är trial and error. Så fungerar traditionella datorer med klassiska algoritmer för att hitta lösningen på ett komplext problem. Tänk nu på detta:Tänk om, med magi, kunde du klona dig själv till flera versioner så att du kunde gå igenom alla olika vägar samtidigt? Du skulle hitta utgången nästan omedelbart.

Det visar sig att vi inte pratar om magi - vi pratar atomiska och subatomära partiklar. En elektron, till exempel, kan vara på flera ställen samtidigt. Detta är en grundläggande naturprincip som inom kvantmekaniken kallas superpositionsprincipen.

Nu, tänk om vi utnyttjar denna princip och tillämpar den på våra klassiska simulatorer och datorer. Tänk hur dramatiskt effektivare vi skulle vara vid informationsbehandling!

Detta är principen bakom kvantdatorer och kvantsimulatorer. I huvudsak, kvantdatorer använder de subatomära partiklarnas förmåga att existera på mer än en plats samtidigt.

Kvantsimulatorer är inte bara bra för effektivitet i bearbetningstider, men de är det "naturliga" valet för att simulera enkla och komplexa system i naturen. Detta är en direkt konsekvens av det faktum att naturen i slutändan styrs av kvantmekanikens lagar.

Kvantsimulatorer ger oss ett utmärkt tillfälle att simulera grundläggande aspekter av naturen och förstå deras dolda dynamik utan att ens titta på komplexiteten som uppstår från de olika partiklarna och deras interaktioner. Det är just detta motiv bakom professor Ebrahim Karimis och hans teams forskning.

Karimis team simulerar periodiska och slutna strukturer i naturen, såsom ringformade molekyler och kristallina gitter, genom att åberopa ljusets kvantmekaniska egenskaper. Resultaten kan hjälpa oss att förstå dynamiken involverad i sådana system samt öppna möjligheten att utveckla effektiva fotonikbaserade kvantdatorer.

Karimis team har framgångsrikt byggt och drivit den första kvantsimulatorn någonsin utformad speciellt för simulering av cykliska (ringformade) system. En kvantsimulator simulerar ett kvantsystem. Teamet använde ljusets kvantum (foton) för att simulera kvantrörelsen av elektroner inuti ringar gjorda av olika antal atomer. Experimentresultaten avslöjade att fysiken hos ringformade system skiljer sig fundamentalt från de för linjeformade.

Genom att göra så, teamet etablerade en kraftfull experimentell teknik för att simulera en bred klass av atomsystem och öppnade ett nytt fönster för att utforska många möjligheter som resultatet av sitt arbete.

"Vi räknar med det, inom en kort tidsperiod, vår forskning kommer att ha ett mycket stort genomslag inom olika discipliner, allt från medicin till datavetenskap, från organisk kemi och biologi till materialvetenskap och grundläggande fysik, "säger Dr Farshad Nejadsattari, en av Karimis postdoktorer, som var en del av projektet.

I en kvantsimulator, en kvantpartikel som lätt kan kontrolleras och är fysiskt väl förstått (i vårt fall en ljuspartikel, en foton) får föröka sig inuti ett system som är utformat för att likna det som simuleras.

Några intressanta upptäckter från detta experiment inkluderar att hitta specifika sätt att fördela partikeln på ringen så att fördelningen aldrig förändras när partikeln förökar sig, och även hitta fall där partikeln först sprider sig på ringen och sedan återkommer på platsen där den ursprungligen placerades. Detta har aldrig setts experimentellt i någon kvantsimulator.

Med kvantesimuleringstekniker som blir mer mogna och komplexa, syntetisera nya material, kemikalier och läkemedelsutveckling kommer att förenklas kraftigt. Kvantsimulatorn hjälper till att ge all information man behöver på ett ögonblick.