Med en kvant coprocessor i molnet, fysiker från Innsbruck, Österrike, öppna dörren till simulering av tidigare olösliga problem inom kemi, materialforskning eller högenergifysik. Forskargrupperna som leds av Rainer Blatt och Peter Zoller rapporterar i tidskriften Natur hur de simulerade partikelfysikfenomen på 20 kvantbitar och hur kvantsimulatorn självverifierade resultatet för första gången.

Många forskare arbetar för närvarande med att undersöka hur kvantfördelar kan utnyttjas på hårdvara som redan finns tillgänglig idag. Tre år sedan, fysiker simulerade först den spontana bildningen av ett par elementära partiklar med en digital kvantdator vid universitetet i Innsbruck. På grund av felprocenten dock, mer komplexa simuleringar skulle kräva ett stort antal kvantbitar som ännu inte är tillgängliga i dagens kvantdatorer. Den analoga simuleringen av kvantsystem i en kvantdator har också snäva gränser. Med en ny metod, forskare kring Christian Kokail, Christine Maier och Rick van Bijnen vid Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) vid Österrikes vetenskapsakademi har nu överträffat dessa gränser. De använder en programmerbar jonfällekvantdator med 20 kvantbitar som en kvantprocessor, där kvantmekaniska beräkningar som når gränserna för klassiska datorer läggs ut på outsourcing. "Vi använder de bästa funktionerna i båda teknikerna, "förklarar experimentfysikern Christine Maier." Kantsimulatorn tar över de beräkningsmässigt komplexa kvantproblemen och den klassiska datorn löser de återstående uppgifterna. "

Verktygslåda för kvantmodellerare

Forskarna använder den variationsteknik som är känd från teoretisk fysik, men tillämpa det på deras kvantexperiment. "Fördelen med denna metod ligger i det faktum att vi kan använda kvantsimulatorn som en kvantresurs som är oberoende av problemet som undersöks, "förklarar Rick van Bijnen." På så sätt kan vi simulera mycket mer komplexa problem. "En enkel jämförelse visar skillnaden:en analog kvantsimulator är som ett dockhus, den representerar verkligheten. Den programmerbara variationen kvantsimulator, å andra sidan, erbjuder individuella byggstenar som många olika hus kan byggas med. I kvantsimulatorer, dessa byggstenar är trasselgrindar och enkelspinnrotationer. Med en klassisk dator, denna uppsättning knoppar ställs in tills det avsedda kvanttillståndet har uppnåtts. För detta har fysikerna utvecklat en sofistikerad optimeringsalgoritm som i cirka 100, 000 förfrågningar från kvant coprocessorn från den klassiska datorn leder till resultatet. Tillsammans med extremt snabba mätcykler för kvantexperimentet, simulatorn på IQOQI Innsbruck blir enormt kraftfull. För första gången, fysikerna har simulerat spontan skapande och förstörelse av par av elementära partiklar i ett vakuum på 20 kvantbitar. Eftersom den nya metoden är mycket effektiv, den kan också användas på ännu större kvantsimulatorer. Innsbruck -forskarna planerar att bygga en kvantsimulator med upp till 50 joner inom en snar framtid. Detta öppnar upp intressanta perspektiv för ytterligare undersökningar av solid state-modeller och högenergifysikproblem.

Inbyggd självkontroll

Ett tidigare olöst problem i komplexa kvantsimuleringar är verifiering av simuleringsresultaten. "Sådana beräkningar kan knappt eller inte alls kontrolleras med klassiska datorer. Så hur kontrollerar vi om kvantsystemet ger rätt resultat, "frågar den teoretiska fysikern Christian Kokail." Vi har löst denna fråga för första gången genom att göra ytterligare mätningar i kvantsystemet. Baserat på resultaten, kvantmaskinen bedömer simuleringens kvalitet, "förklarar Kokail. En sådan verifieringsmekanism är förutsättningen för ännu mer komplexa kvantsimuleringar, eftersom det nödvändiga antalet kvantbitar ökar kraftigt. "Vi kan fortfarande testa simuleringen på 20 kvantbitar på en klassisk dator, men med mer komplexa simuleringar är detta helt enkelt inte längre möjligt, "säger Rick van Bijnen." I vår studie, kvantexperimentet var ännu snabbare än kontrollsimuleringen på datorn. I slutet, vi var tvungna att ta det ur loppet för att inte bromsa experimentet, säger fysikern.