En kraftfull ny form av datoranvändning kan hjälpa forskare att designa nya typer av material för nanoelektronik, tillåta flygbolag att lösa komplexa logistiska problem för att säkerställa att flygen går i tid, och ta itu med trafikstockningar för att få bilar att flyta mer fritt på trafikerade vägar.

Medan moderna digitala datorer kan göra imponerande beräkningsprestationer, det finns några problem som även de mest avancerade superdatorerna brottas med. Men forskare tror att nya datorer utnyttjar kraften i kvantmekaniken, som styr det märkliga beteendet hos mikroskopiska partiklar som bosoner, fermioner, och vem som helst kunde ta itu med dessa problem på några sekunder.

Att bygga kvantdatorer för allmänna ändamål har visat sig vara exceptionellt svårt och för närvarande, endast en handfull dyra maskiner är under utveckling.

Vissa forskare tar istället ett annat tillvägagångssätt genom att bygga datorsystem som kallas analoga kvantsimulatorer i ett försök att hitta en genväg till några av de svar som kvantdatorer lovar att ge.

Dessa simulatorer är designade för att utforska specifika egenskaper hos kvantfysiken genom att modellera hur de minsta partiklarna i universum kan bete sig. Detta kan i sin tur användas för att lösa komplexa problem i världen som för närvarande är omöjliga att lösa eller kan ta en livstid att göra det med hjälp av klassiska datorer.

Analogin jag verkligen gillar är att analoga kvantsimulatorer är lite som en vindtunnel, sa professor Andrew Daley, en fysiker vid Strathclyde University, STORBRITANNIEN, och medlem i PASQuanS-projektet. ”För ett par decennier sedan var det omöjligt att simulera luftflödet på en dator så istället skulle man bygga en skalenlig modell och lägga den i en vindtunnel.

"Men med analog kvantsimulering, skalningen går åt andra hållet – snarare än att göra en mindre version, du gör en större. Detta gör det mer kontrollerbart och så det är lättare att lära sig detaljerna om hur något kan fungera.'

Uppskalad

Sammanföra ett team av forskare från hela Europa, projektet försöker bygga några av de mest kraftfulla analoga kvantsimulatorerna hittills med hjälp av atomer och joner som deras uppskalade modeller av subatomära partiklar.

Till exempel, ultrakalla atomer, som har kylts till bara några grader över absoluta nollpunkten, kan hängas upp i ett gitter bildat av laserljus för att simulera hur elektroner kan röra sig i en kristall. Än så länge, toppmoderna kvantsimulatorer använder cirka 100 ultrakalla atomer eller upp till 20 joner i sina modeller, men teamet hoppas kunna förbättra sina system till att ha mer än 1, 000 atomer och upp till 50 joner.

Detta kan pressa kraften hos dessa simulatorer långt utöver vad som är möjligt med klassisk beräkning på en mycket kortare tidsskala än vad som skulle vara möjligt genom att bygga en allmän kvantdator, säger Prof Daley.

En viktig utmaning är att göra simulatorerna mer kontrollerbara och programmerbara. Forskarna som är involverade i projektet utvecklar nya tekniker för att kontrollera atomerna, som att fånga dem med laser-pincetter, spännande utvalda atomer till högenergitillstånd eller flytta dem så att de interagerar på olika sätt.

"Den programmerbara biten handlar om att göra dessa system mycket kontrollerbara, på ett väl kalibrerat sätt, på nivån för enskilda gitterplatser, enskilda joner eller enskilda atomer, sa prof. Daley.

Även om dessa simulatorer kan hjälpa fysiker att lösa beskattningsfrågor om partiklars beteende i kvantsystem, de kan också användas för att lösa större verkliga problem, för.

Kvantglödgningsalgoritmer, till exempel, utnyttja kvantfysikens egenhet där subatomära partiklar, atomer och större molekyler kan hitta vägen för minsta motstånd när de ändrar energitillstånd. Detta kan jämföras med att försöka rulla en boll uppför en kulle för att nå en djupare dal på andra sidan — om bollen inte får tillräckligt med en push, den kommer inte att orka nå toppen av kullen och kommer helt enkelt att rulla bakåt. Kvantpartiklar, i jämförelse, kan kringgå de energitoppar de måste övervinna genom att helt enkelt tunnla genom dem.

Optimerande

Denna förmåga att lättare hitta lågenergitillstånd innebär att kvantglödgning kan användas för att hitta sätt att optimera komplicerade trafiknätverk eller invecklade logistikkedjor.

"Vi kan ta ett problem från någon annanstans och kartlägga det på interaktionen mellan atomerna eller jonerna, sa prof. Daley. "Då kan vi börja ställa frågor för att hitta den lägsta möjliga energikonfigurationen."

Stora företag som Airbus, Total, Bosch, Electricité de France (EDF) och Siemens har redan uttryckt intresse för att utforska detta tillvägagångssätt. Forskare från företagen arbetar med projektet i ett försök att hitta potentiella tillämpningar som kan appliceras på deras kommersiella verksamhet.

I flygplan, till exempel, den kan användas för att säkerställa att plan och flygbolags besättning är på rätt plats för att flygningen ska fungera smidigt.

Det kan också användas för att snabbt modellera det bästa sättet att omdirigera trafik på trafikerade vägar för att undvika trängsel och minska föroreningarna.

"Vi har skapat ett slutanvändarforum för att få specifika idéer om vilken typ av problem som kan implementeras på analoga kvantsimuleringsplattformar, sa prof. Daley. "Det här är stora problem som är särskilt intressanta för industrin som vi sedan skulle kunna imitera på våra system."

Kraften med kvantsimulatorer går utöver att hitta sätt att optimera processer. Prof. Daley och hans kollegor säger att en av de första tillämpningarna av deras kvantsimulatorer kommer att vara att hjälpa till att designa nya material, inklusive för nanoelektronik och supraledare.

Detta är något som Qombs-projektet också eftersträvar genom att skapa en analog kvantsimulering för att konstruera en ny generation av material som kan producera mycket avstämbara infraröda lasrar. Våglängden – eller färgen – på moderna lasrar bestäms av elementen i dioden som används för att generera ljuset.

Men genom att odla kristaller som innehåller olika koncentrationer av metaller som aluminium, gallium och arsenik i lager, forskarna bakom projektet vill skapa halvledarmaterial som kan producera laserljus vid våglängder som annars skulle vara omöjliga. Dessa enheter är kända som kvantkaskadlasrar.

Lasrar

"Vi använder kvantsimuleringar för att optimera och få nya funktioner som kommer att förbättra prestandan som är möjlig med kvantkaskadlasrar idag, sa Dr Francesco Cappelli, en forskare vid National Institute of Optics i Florens, Italien, och en medlem av Qombs-teamet.

Genom att simulera hur elektronerna och fotonerna kan bete sig i olika strukturer och koncentrationer av metaller, teamet hoppas kunna kontrollera våglängden av ljus som produceras av enheterna bättre.

Om det lyckas, det kan leda till enheter som kan producera ljus med extremt långa våglängder som sträcker sig in i mitten och långt infraröd, något som för närvarande är ouppnåeligt.

"Dessa kan användas i kommunikation, eftersom ljuset inte absorberas av gaserna i atmosfären vid dessa våglängder, sa doktor Cappelli. "Inte bara är atmosfären genomskinlig, men spridning på grund av fukt och damm minskar också jämfört med synliga lasrar.'

Att ställa in lasrarna till specifika våglängder kan också göra det möjligt för dem att användas i sensorer för att detektera specifika gaser, såsom föroreningar eller andra skadliga ämnen.

En kvantkaskadlaser inställd för att avge ljus med den exakta våglängden som absorberas av kvävedioxid, till exempel, skulle kunna användas för att exakt mäta nivåerna av gasen i stadsområden.

Att designa halvledarkristaller med den här typen av egenskaper skulle aldrig vara möjligt på klassiska datorer, sa doktor Capelli.

Kraften i kvantberäkning

I traditionella datorer, information finns inom binära siffror, eller bitar, som har ett enda värde på antingen 1 eller 0.

I kvantsystem, subatomära partiklar kan existera inte bara i binära 1 eller 0 tillstånd, men de har flera kombinationer av 1 och 0 samtidigt för att bilda en "qubit". Eftersom en qubit kan vara 1, 0, eller 1 och 0 på en gång, det innebär att många fler beräkningar kan utföras samtidigt.

Ännu mer konstigt, par av qubits kan också trassla in sig så att när tillståndet för en ändras, den andra ändras omedelbart med den, även om de är åtskilda av stora avstånd. Detta mystiska fenomen ökar exponentiellt en kvantmaskins förmåga att knäcka tal.