"Levy flights" beskriver statistiska egenskaper hos elementära kvantmagneter såväl som hos bin som söker föda. Kredit:Christoph Hohmann (MCQST Cluster)
Vid första anblicken kan ett system bestående av 51 joner verka lätthanterligt. Men även om dessa laddade atomer bara ändras fram och tillbaka mellan två tillstånd, blir resultatet mer än två kvadriljoner (10 15 ) olika beställningar som systemet kan ta på sig.
Beteendet hos ett sådant system är nästan omöjligt att beräkna med konventionella datorer, särskilt eftersom en excitation som introduceras i systemet kan fortplanta sig oregelbundet. Excitationen följer ett statistiskt mönster som kallas en Lévy Flight.
Ett kännetecken för sådana rörelser är att utöver de mindre hopp som är att vänta, sker även betydligt större hopp. Detta fenomen kan också observeras i binas flyg och i ovanligt hårda rörelser på aktiemarknaden.
Simulering av kvantdynamik:Traditionellt en svår uppgift
Samtidigt som att simulera dynamiken i ett komplext kvantsystem är en mycket stor uppgift för även traditionella superdatorer, är uppgiften en barnlek för kvantsimulatorer. Men hur kan resultaten av en kvantsimulator verifieras utan förmågan att utföra samma beräkningar som den kan?
Observationer av kvantsystem indikerade att det skulle vara möjligt att representera åtminstone det långsiktiga beteendet hos sådana system med ekvationer som de som bröderna Bernoulli utvecklade på 1700-talet för att beskriva vätskors beteende.
För att testa denna hypotes publicerade författarna till en studie i Science använde ett kvantsystem som simulerar dynamiken hos kvantmagneter. De kunde använda det för att bevisa att systemet, efter en inledande fas dominerad av kvantmekaniska effekter, faktiskt kunde beskrivas med ekvationer av den typ som är bekant från vätskedynamiken.
Dessutom visade de att samma Lévy Flight-statistik som beskriver sökstrategierna som används av bin även gäller för vätskedynamiska processer i kvantsystem.
Fångade joner som en plattform för kontrollerade kvantsimuleringar
Kvantsimulatorn byggdes vid Institutet för kvantoptik och kvantinformation (IQOQI) vid den österrikiska vetenskapsakademin vid University of Innsbruck Campus. "Vårt system simulerar effektivt en kvantmagnet genom att representera nord- och sydpolerna för en molekylär magnet med hjälp av två energinivåer av jonerna", säger IQOQI Innsbruck-forskaren Manoj Joshi.
"Vårt största tekniska framsteg var det faktum att vi lyckades individuellt adressera var och en av de 51 jonerna individuellt", konstaterar Manoj Joshi. "Som ett resultat kunde vi undersöka dynamiken för vilket önskat antal initiala tillstånd som helst, vilket var nödvändigt för att illustrera uppkomsten av vätskedynamiken."
"Medan antalet qubits och stabiliteten i kvanttillstånden för närvarande är mycket begränsad, finns det frågor som vi redan idag kan använda den enorma beräkningskraften hos kvantsimulatorer för", säger Michael Knap, professor för kollektiv kvantdynamik vid Tekniska universitetet av München.
"Inom en snar framtid kommer kvantsimulatorer och kvantdatorer att vara idealiska plattformar för att forska om dynamiken i komplexa kvantsystem", förklarar Michael Knap. "Nu vet vi att efter en viss tidpunkt följer dessa system lagarna för klassisk vätskedynamik. Alla kraftiga avvikelser från det är en indikation på att simulatorn inte fungerar som den ska." + Utforska vidare
