"Tänk vad vi kan göra om vi lär en kvantdator att göra statistisk mekanik, " poserade Michael McGuigan, en beräkningsforskare med Computational Science Initiative vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory.

Just då, McGuigan reflekterade över Ludwig Boltzmann och hur den berömda fysikern var tvungen att kraftfullt försvara sina teorier om statistisk mekanik. Boltzmann, som gav sina idéer om hur atomegenskaper bestämmer materiens fysikaliska egenskaper i slutet av 1800-talet, hade ett utomordentligt stort hinder:atomer visades inte ens existera vid den tiden. Trötthet och missmod som härrörde från att hans kamrater inte accepterade hans åsikter om atomer och fysik förföljde Boltzmann för alltid.

I dag, Boltzmanns faktor, som beräknar sannolikheten att ett system av partiklar kan hittas i ett specifikt energitillstånd i förhållande till nollenergi, används flitigt inom fysiken. Till exempel, Boltzmanns faktor används för att utföra beräkningar på världens största superdatorer för att studera atomers beteende, molekyler, och kvark "soppan" upptäckt med hjälp av faciliteter som Relativistic Heavy Ion Collider som ligger vid Brookhaven Lab och Large Hadron Collider vid CERN.

Även om det krävdes en förändring för att visa att Boltzmann hade rätt, datavetare befinner sig nu vid branten av en ny datorvåg, gör språnget från superdatorer och bytes till kvantsystem och kvantbitar (eller "qubits"). Dessa kvantdatorer har potential att låsa upp några av de mest mystiska begreppen inom fysiken. Och, underligt, dessa så kallade mysterier kan verka lite bekanta för många.

Tid och temperatur till dig av...

Även om de flesta människor är väl förtrogna med begreppen tid och temperatur och kontrollerar dem flera gånger om dagen, det visar sig att dessa grundläggande begrepp förblir gåtfulla i fysiken.

Boltzmanns faktor hjälper till att modellera temperatureffekter som kan användas för att förutsäga och kontrollera atomärt beteende och fysikaliska egenskaper, och de fungerar utmärkt på klassiska datorer. Dock, på en kvantdator, de kvantlogiska grindar som används i beräkningen (liknande logiska grindar som finns i digitala kretsar) representeras av komplexa tal, i motsats till Boltzmanns faktor, som per definition, är riktig.

Det här problemet erbjöd McGuigan och hans student/medförfattare Raffaele Miceli ett intressant problem att ta itu med med hjälp av en testbädd för kvantberäkning som tillhandahålls genom Brookhaven Labs åtkomstavtal till IBM:s universella kvantberäkningssystem, genom IBM Q Hub vid Oak Ridge National Laboratory. Samarbetet ger Brookhaven (bland annat i nätverk) tillgång till IBM:s kommersiella kvantsystem, inklusive 20- och 53-qubit-system för experiment.

"På en kvantdator, det finns ett annat sätt att simulera ändlig temperatur som kallas termofältsdynamik, som kan beräkna kvantiteter som är både tids- och temperaturberoende, McGuigan förklarade. "I denna formalism, du konstruerar en dubbel av systemet, kallad termodubbel, fortsätt sedan med beräkningen på en kvantdator eftersom beräkningen kan representeras i form av kvantlogikgrindar med komplexa tal.

"I slutet, du kan summera de dubbla tillstånden och generera en effektiv Boltzmanns faktor för beräkningar vid ändlig temperatur, " fortsatte han. "Det finns också vissa fördelar med formalismen. Till exempel, du kan studera effekterna av ändlig temperatur och hur systemet utvecklas i realtid när tid och temperatur separeras med hjälp av denna kvantalgoritm. En nackdel är att det kräver dubbelt så många qubits som en nolltemperaturberäkning för att hantera de dubbla tillstånden."

Miceli och McGuigan demonstrerade hur man implementerar kvantalgoritmen för termofältsdynamik för ändlig temperatur på ett enkelt system som involverar några partiklar och fann perfekt överensstämmelse med den klassiska beräkningen.

Deras arbete använde resurser från både klassisk och kvantberäkning. Enligt McGuigan, de använde Qiskit öppen källkod för kvantberäkningsprogram som gjorde det möjligt för dem att skapa sin algoritm i molnet. Qiskit transponerade sedan den koden till pulser som kommunicerar med en kvantdator i realtid (i det här fallet, en IBM Q-enhet). Optimerare som kör klassiska algoritmer möjliggör ytterligare fram och tillbaka mellan det traditionella och kvantsystemet.

"Vårt experiment visar att kvantsystem har en fördel av att representera realtidsberäkningar exakt snarare än att rotera från imaginär tid till realtid för att hitta ett resultat, McGuigan förklarade. "Det ger en mer sann bild av hur ett system utvecklas. Vi kan kartlägga problemet till en kvantsimulering som låter det utvecklas."

In i kosmos

Kvantkosmologi är ett annat område där McGuigan förutser att nya kvantberäkningsalternativ kommer att ha stor inverkan. Trots de många framsteg i förståelsen av universum som möjliggjorts av moderna superdatorer, vissa fysiska system förblir utom räckhåll. Den matematiska komplexiteten, som vanligtvis inkluderar att redogöra för full kvantgravitationsteori, är helt enkelt för stor för att få exakta lösningar. Dock, en riktig kvantdator, komplett med förmågan att utnyttja intrassling och överlagring, skulle utöka möjligheterna för nya, mer exakta algoritmer.

"Kvantsystem kan realisera vägintegraler i realtid, ger oss tillgång till storskaliga simuleringar av universum, ", sa McGuigan. "Du kan visualisera den beräknade vågfunktionen av universum när det utvecklas framåt utan att först formulera en fullständig teori om kvantgravitation."

På nytt, använda Qiskit-paketet och tillgång till IBM Q-hårdvara, McGuigan och hans medarbetare Charles Kocher, en student vid Brown University, använde en blandning av klassiska beräkningsmetoder och VQE för att köra olika experiment, inklusive en som undersökte system med gravitation kopplad till ett bosonfält som kallas en inflaton, en hypotetisk partikel som spelar en viktig roll i modern kosmologi. Deras arbete visade att hybrid VQE gav vågfunktioner i överensstämmelse med Wheeler-Dewitts ekvation, som matematiskt kombinerar kvantmekanik med Albert Einsteins relativitetsteori.

Inspiration i växande skala

Medan tidiga kvantexperiment leder till olika perspektiv på grunderna bakom fysiken, quantum computing förväntas bidra med stora framsteg mot att lösa långvariga problem som påverkar DOE:s uppdrag. Bland dem, det kan vara ett verktyg för att avslöja nya material, lösa energiutmaningar, eller lägga till grundläggande förståelser (som tid och temperatur) inom högenergifysik och kosmologi. I tur och ordning, dessa förändringar skulle kunna kaskadera in i lättare igenkännbara områden.

Till exempel, läkemedelsutvecklare behöver mer realiserad kvantmekanik för att förstå molekylernas struktur. Kvantdatorer kan möjliggöra upptäckter genom att erbjuda simuleringar av den fullständiga kvantmekaniken som skulle ge en verkligt praktisk synvinkel.

"Det verkar alltid finnas intresse för grunderna bakom fysiken, ", sade McGuigan. "Det har varit av intresse för allmänheten i årtusenden. Just nu, kombinationen av teoretisk expertis och faktisk teknologi konvergerar med kvantberäkning. Än, det är fortfarande en mycket mänsklig strävan."

Tills vidare, Att använda kvantdatorer på kort sikt för att lösa små termofältproblem eller för att ta en ny titt på ett gammalt universum inspirerar forskare att skala upp sina algoritmer när de gör större saker inom vetenskapen.

"Vi blir modiga att göra olika saker. Vi gör alla, ", sa McGuigan. "Andra grupper runt om i världen, såsom Perimeter Institute i Kanada och Universiteit van Amsterdam i Nederländerna, utvidgar redan termofältets dubbla kvantalgoritm till ännu större system. Med uppkomsten av stora korttidskvantdatorer på 50-100 qubits, Målet är att köra finita temperatursimuleringar på realistiska system som involverar många partiklar. Det är spännande att ha en riktig kvantdator för att testa dessa idéer och problem som vi en gång inte hade några lösningar på. Kvantmekanik utan avvägningar - det är vad vetenskap handlar om."