Forskare simulerade ett nyckelkvanttillstånd i en av de största rapporterade skalorna, med stöd från Quantum Computing User Program, eller QCUP, vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

Teknikerna som används av teamet kan hjälpa till att utveckla kvantsimuleringsmöjligheter för nästa generation av kvantdatorer.

Studien använde Quantinuums H1-1-dator för att modellera en kvantversion av en klassisk matematisk modell som spårar hur en sjukdom sprids. Tid på datorn tillhandahölls av QCUP, en del av Oak Ridge Leadership Computing Facility, som delar ut tid på privatägda kvantprocessorer runt om i landet för att stödja forskningsprojekt.

Modellen använde kvantbitar, eller qubits, för att simulera övergången mellan aktiva tillstånd, såsom infektion, och inaktiva tillstånd, såsom död eller återhämtning.

"Målet med denna studie var att arbeta mot att bygga kapacitet på en kvantdator för att lösa detta problem och andra liknande det som är svåra att beräkna på konventionella datorer", säger Andrew Potter, medförfattare till studien och biträdande professor i fysik vid University of British Columbia i Vancouver.

"Detta experiment modellerar ett försök att styra ett kvantsystem mot ett visst tillstånd samtidigt som det konkurrerar med kvantfluktuationerna bort från detta tillstånd. Det finns en övergångspunkt där dessa konkurrerande effekter exakt balanserar. Den punkten skiljer en fas där styrningen lyckas och där den misslyckas. "

Ju längre systemet rör sig ur jämvikt, desto mer sannolikt kommer klassiska versioner av modellen att gå sönder på grund av ekvationernas storlek och komplexitet. Forskargruppen försökte använda kvantberäkning för att modellera denna dynamik.

Klassiska datorer lagrar information i bitar lika med antingen 0 eller 1. Med andra ord, en klassisk bit, som en ljusströmbrytare, finns i ett av två tillstånd:på eller av. Den binära dynamiken passar inte nödvändigtvis övergångstillstånd som de som studerats i sjukdomsmodellen.

Kvantberäkning använder kvantmekanikens lagar för att lagra information i qubits, kvantekvivalenten till bitar. Qubits kan existera i mer än ett tillstånd samtidigt via quantum superposition, vilket gör att qubits kan bära mer information än klassiska bitar.

I kvantsuperposition kan en qubit existera i två tillstånd samtidigt, liknande ett snurrande mynt - varken huvuden eller svansar för myntet, varken den ena frekvensen eller den andra för qubiten. Att mäta värdet på qubiten bestämmer sannolikheten för att mäta något av de två möjliga värdena, på samma sätt som att stoppa myntet på huvuden eller svansen. Denna dynamik möjliggör ett bredare utbud av möjliga värden som kan användas för att studera komplexa frågor som övergångstillstånd.

Forskare hoppas att dessa möjligheter kommer att driva en kvantrevolution som ser att kvantdatorer överträffar klassiska maskiner i hastighet och kraft. De kvantbitar som används av nuvarande kvantmaskiner tenderar dock att lätt brytas ned. Det förfallet orsakar höga felfrekvenser som kan förvirra resultat från alla modeller som är större än ett testproblem.

Potter och hans kollegor fick tid via QCUP på Quantinuum-datorn, som använder fångade joner som qubits. De mätte kretsar, eller kvantgrindar, under hela körningen och använde en teknik som kallas qubit-återvinning för att eliminera försämrade qubits.

"Vi använde kvantprocessorn för att simulera ett system där aktiva qubits har förmågan att aktivera angränsande qubits eller bli inaktiva," sa Potter. "Genom att övervaka systemet i realtid vid varje steg och testa medan vi går, kunde vi upptäcka sannolikheten för att en kvantgrind på en qubit skulle kunna påverka tillståndet för en qubit och, om inte, ta bort den från beräkningen. Detta så undviker vi risken för att fel smyger sig in."

Teamet bestämde att de kunde använda sitt tillvägagångssätt på 20 qubits för att hålla fel och simulera ett kvantsystem nästan fyra gånger så stort. De uppskattade till 70 qubits att deras tillvägagångssätt kunde vara lika med eller överträffa en klassisk dators kapacitet.

"Det här är första gången metoden har använts för ett system av den här storleken," sa Potter.

Nästa steg inkluderar att tillämpa qubit-återvinning på kvantproblem, som att simulera materialegenskaper och beräkna deras lägsta energitillstånd eller kvantgrundtillstånd.

Uppsatsen är publicerad i tidskriften Nature Physics .

Mer information: Eli Chertkov et al, Characterizing a non-equilibrium phase transition on a quantum computer, Naturfysik (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02199-w

Journalinformation: Naturfysik

Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory