En ny teknik för att studera molekylernas och materialens egenskaper på en kvantsimulator har upptäckts.

Den banbrytande nya tekniken, av fysikern Oleksandr Kyriienko från University of Exeter, kan vara banbrytande för en ny väg mot nästa generation av kvantdatorer.

Nuvarande kvantberäkningsmetoder för att studera molekylernas och materialens egenskaper i en sådan liten skala bygger på en idealisk fultolerant kvantdator eller variationstekniker.

Detta nya föreslagna tillvägagångssätt, istället förlitar sig på implementeringen av kvantutveckling som skulle vara lättillgänglig i många system. Tillvägagångssättet är gynnsamt för moderna state-of-the-art kvantuppsättningar, framför allt inklusive kalla atomgaller, och kan fungera som en mjukvara för framtida applikationer inom materialvetenskap.

Studien kan bana väg för att studera egenskaperna hos starkt korrelerade system, inklusive eftertraktade Fermi-Hubbard-modellen, som potentiellt kan förklara högtemperatur supraledning.

Forskningen publiceras i den nya Nature -tidskriften npj Quantum Information .

Dr Kyriienko, en del av fysikavdelningen vid University of Exeter och huvudförfattare sa:"Hittills har jag sett att förmågan att köra kvantdynamik kan användas för att hitta grundtillståndets egenskaper.

"Frågan, dock, finns kvar - kan vi använda det för att studera upphetsade tillstånd? Kan vi utforma en annan kraftfull algoritm baserad på principerna? Erfarenheten säger att detta är möjligt, och kommer att bli föremål för framtida insatser. "

Idén om kvantsimulering föreslogs av Nobelprisvinnaren Richard Feynman 1982, där han föreslog att kvantmodeller mest naturligt kan simuleras om vi använder ett välkontrollerat och inneboende kvantsystem.

Utvecklar på denna idé, en separat gren av kvantinformationsvetenskap har framkommit, baserat på begreppet kvantdator - en universell kvantanordning där digitala sekvenser av operationer (kvantportar) gör det möjligt att lösa vissa problem med överlägsen skalning av erforderlig drift jämfört med konventionella klassiska datorer.

Dock, den ursprungliga Feynmans avsikt, som senare fick namnet analog kvantsimulering, hittills mest använts för att observera dynamiska egenskaper hos kvantsystem, samtidigt som man förhindrar att man hittar grundtillståndet associerat med olika beräkningsuppgifter.

I den nya studien, Oleksandr Kyriienko har visat att det är möjligt att utnyttja sekventiell utveckling av systemet med vågfunktionsöverlappningsmätningar, så att effektiv studie av grundtillståndsegenskaper blir möjlig med analoga kvantsimulatorer.

Den huvudsakliga tekniken som gör det möjligt att nå marktillstånd är effektiv representation av icke-enhetlig operatör som "destillerar" marktillståndet genom att köra summan av enhetsutvecklingsoperatorer för olika evolutionstider.

Viktigt, studien tyder på att dynamiken i kvantsystemet är en värdefull resurs för beräkning, eftersom förmågan att sprida systemet parat med överlappningsmätningar kan ge tillgång till lågtemperaturspektrumet för ett kvantsystem som definierar dess beteende.

Resultaten fastställer ramen med dynamikbaserad kvantsimulering med programmerbara kvantsimulatorer, och fungerar som en kvantprogramvara för många välkontrollerade kvantgittersystem där ett stort antal atomer (~ 100) utesluter klassisk simulering.

Detta kan i sin tur revolutionera vår förståelse av komplexa kondenserade system och kemi.