Fysiker har upptäckt en potentiellt spelförändrande egenskap hos kvantbitbeteende som skulle göra det möjligt för forskare att simulera komplexa kvantsystem utan behov av enorm datorkraft.

För en tid, utvecklingen av nästa generations kvantdatorer har begränsats av bearbetningshastigheten hos konventionella CPU:er. Till och med världens snabbaste superdatorer har inte varit tillräckligt kraftfulla, och befintliga kvantdatorer är fortfarande för små, att kunna modellera medelstora kvantstrukturer, såsom kvantprocessorer.

Dock, ett team av forskare från universiteten i Loughborough och Nottingham och Innopolis har nu hittat ett sätt att kringgå behovet av sådana enorma mängder kraft genom att utnyttja det kaotiska beteendet hos qubits – den minsta enheten av digital information.

När de modellerade beteendet hos kvantbitar (qubits) fann de att när en extern energikälla, såsom en laser- eller mikrovågssignal, användes blev systemet mer kaotiskt – vilket så småningom demonstrerade fenomenet som kallas hyperkaos.

När qubitarna exciterades av strömkällan bytte de tillstånd, som vanliga datorbitar som växlar mellan noll och ett, men på ett mycket mer oregelbundet och oförutsägbart sätt. Dock, forskarna fann att graden av komplexitet (hyperkaos) inte ökade exponentiellt när storleken på systemet växte – vilket är vad man kan förvänta sig – utan istället, den förblev proportionell mot antalet enheter.

I ett nytt papper, "Uppkomst och kontroll av komplexa beteenden i drivna system av interagerande qubits med förlust, " publicerad i tidskriften Nature NPJ Quantum Information , teamet visar att detta fenomen har stor potential för att tillåta forskare att simulera stora kvantsystem.

En av motsvarande författare, Dr Alexandre Zagoskin, vid Loughborough's School of Science, sa:"En bra analogi är flygplansdesign. För att designa ett flygplan, det är nödvändigt att lösa vissa ekvationer för hydro(aero)dynamik, som är mycket svåra att lösa och blev möjliga först långt efter andra världskriget, när kraftfulla datorer dök upp. Ändå, människor hade designat och flugit flygplan långt innan dess. Det berodde på att luftflödets beteende kunde karakteriseras av ett begränsat antal parametrar, såsom Reynolds-talet och Mach-talet, som kunde bestämmas från småskaliga modellexperiment. Utan detta, direkt simulering av ett kvantsystem i alla detaljer, med en klassisk dator, blir omöjligt när den innehåller mer än några tusen qubits. Väsentligen, det finns inte tillräckligt med materia i universum för att bygga en klassisk dator som kan hantera problemet. Om vi ​​kan karakterisera olika regimer av en 10, 000-qubit kvantdator med bara 10, 000 sådana parametrar istället för 2 ^{10, 000} – vilket är ungefär 2 gånger 1 med tre tusen nollor – det skulle vara ett riktigt genombrott."

De nya resultaten visar att ett kvantsystem visar kvalitativt olika mönster av allmänt fallbeteende, och övergångarna mellan dem styrs av ett relativt litet antal parametrar.

Om detta gäller generellt, då kommer forskarna att kunna bestämma de kritiska värdena för dessa parametrar från, t.ex., bygga och testa skalamodeller, och, genom att ta några mätningar av det faktiska systemet, för att avgöra om parametrarna för vår kvantprocessor tillåter att den fungerar korrekt eller inte.

Som en bonus, den kontrollerbara komplexiteten i beteendet hos stora kvantsystem öppnar nya möjligheter i utvecklingen av nya kvantkryptografiverktyg.