En studie ledd av forskare vid North Carolina State University utvecklade en ny metod som gör det möjligt för kvantdatorer att mäta systemens termodynamiska egenskaper genom att beräkna partitionsfunktionens nollor.

"Vi har illustrerat ett nytt sätt att komma till termodynamiska egenskaper hos ett system, som gratis energi, entropi, och andra egenskaper som är för komplexa för att för närvarande kunna mätas via traditionell eller kvantberäkning, säger Lex Kemper, docent i fysik vid NC State och motsvarande författare till en artikel som beskriver arbetet. "Genom att beräkna partitionsfunktionsnollor är vi på väg att lösa problemet med att skala till ett större antal qubits när vi försöker beräkna fria energier och entropier i ett givet system."

Kvantdatorer används ofta för att studera komplicerade system på grund av deras förmåga att hantera stora beräkningar utom räckhåll för konventionella datorer. Dock, vissa problem, som att mäta termodynamiken eller fri energi i ett system (vilket innebär att beräkna dess entropi), är fortfarande för stora för att även dessa datorer ska kunna hanteras effektivt.

En partitionsfunktion beskriver de statistiska egenskaperna hos ett system i termodynamisk jämvikt. Den totala energin, fri energi, entropi, eller trycket i ett system kan uttryckas matematiskt i termer av partitionsfunktionen eller dess derivator.

Kemper och hans kollegor använde en kvantdator för att mäta partitionsfunktionen nollor, snarare än entropin, av en spinnmodell när den är avstämd över en fasövergång.

"Vår metod hoppar över delen där vi beräknar entropin till förmån för att titta på partitionsfunktionen, " säger Kemper. "Det beror på att partitionsfunktionen är en genererande funktion - en funktion som du kan utföra operationer på för att få annan termodynamisk information som den interna energin och entropin.

"Vi mäter partitionsfunktionen genom att bestämma var den är noll. När du känner till alla nollor för en funktion, du känner till hela funktionen. Eftersom nollorna ligger i det komplexa planet, vi använde en kartläggning mellan att ha ett komplext magnetfält och tidsutveckling för att hitta dem."

Forskarna beräknade partitionsfunktionen på både en standard och en fångade jonkvantdator i Norbert Linkes laboratorium vid University of Maryland. Resultaten från båda jämfördes positivt.

"Det här är ett sätt att använda en kvantdator för att få till alla de termodynamiska egenskaperna hos ett system utan att det krävs ett stort antal kvantberäkningar, " säger Kemper.

Forskningen dyker upp i Vetenskapens framsteg .