Att skapa en kvantdator som är tillräckligt kraftfull för att hantera problem som vi inte kan lösa med nuvarande datorer är fortfarande en stor utmaning för kvantfysiker. En välfungerande kvantsimulator – en specifik typ av kvantdator – kan leda till nya upptäckter om hur världen fungerar i minsta skala.
Kvantforskaren Natalia Chepiga från Delfts tekniska universitet har tagit fram en guide om hur man uppgraderar dessa maskiner så att de kan simulera ännu mer komplexa kvantsystem. Studien publiceras nu i Physical Review Letters .
"Att skapa användbara kvantdatorer och kvantsimulatorer är ett av de viktigaste och mest omdiskuterade ämnena inom kvantvetenskapen idag, med potential att revolutionera samhället", säger forskaren Natalia Chepiga. Kvantsimulatorer är en typ av kvantdator. Chepiga förklarar, "Kvantsimulatorer är avsedda att lösa öppna problem inom kvantfysik för att driva vår förståelse av naturen ytterligare. Kvantdatorer kommer att ha breda tillämpningar inom olika områden av det sociala livet, till exempel inom ekonomi, kryptering och datalagring."
"En nyckelingrediens i en användbar kvantsimulator är möjligheten att kontrollera eller manipulera den", säger Chepiga. "Föreställ dig en bil utan ratt. Den kan bara gå framåt men kan inte svänga. Är den användbar? Bara om du behöver åka i en viss riktning; annars blir svaret 'nej!'. Om vi vill skapa en kvantdator som kommer att kunna upptäcka nya fysikfenomen inom en snar framtid, vi måste bygga en "ratt" för att ställa in det som verkar intressant I min artikel föreslår jag ett protokoll som skapar en fullt kontrollerbar kvantsimulator."
Protokollet är ett recept – en uppsättning ingredienser som en kvantsimulator ska ha för att kunna justeras. I den konventionella uppsättningen av en kvantsimulator riktas rubidium (Rb) eller cesium (Cs) atomer av en enda laser. Som ett resultat kommer dessa partiklar att ta upp elektroner och därigenom bli mer energiska; de blir exalterade.
"Jag visar att om vi skulle använda två lasrar med olika frekvenser eller färger, och därigenom spännande dessa atomer till olika tillstånd, skulle vi kunna ställa in kvantsimulatorerna till många olika inställningar," förklarar Chepiga.
Protokollet erbjuder en ytterligare dimension av vad som kan simuleras. "Föreställ dig att du bara har sett en kub som en skiss på ett platt papper, men nu får du en riktig 3D-kub som du kan röra, rotera och utforska på olika sätt", fortsätter Chepiga. "Teoretiskt sett kan vi lägga till ännu fler dimensioner genom att ta in fler lasrar."
"Det kollektiva beteendet hos ett kvantsystem med många partiklar är extremt utmanande att simulera," förklarar Chepiga. "Utöver några dussin partiklar måste modellering med vår vanliga dator eller en superdator förlita sig på uppskattningar." När man tar hänsyn till interaktionen mellan fler partiklar, temperatur och rörelse finns det helt enkelt för många beräkningar att utföra för datorn.
Kvantsimulatorer är sammansatta av kvantpartiklar, vilket innebär att komponenterna är intrasslade. "Entanglement är någon slags ömsesidig information som kvantpartiklar delar sinsemellan. Det är en inneboende egenskap hos simulatorn och gör det därför möjligt att övervinna denna beräkningsflaskhals."
Mer information: Natalia Chepiga, Tunable Quantum Criticality in Multicomponent Rydberg Arrays, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.076505. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.12838
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av Delft University of Technology
