Nyt værktøj til karakterisering af kvantesimulatorer

Fysikere udvikler kvantesimulatorer, at hjælpe med at løse problemer, der er uden for rækkevidde af konventionelle computere. Imidlertid, de har først brug for nye værktøjer til at sikre, at simulatorerne fungerer korrekt. Innsbruck -forskere omkring Rainer Blatt og Christian Roos, sammen med forskere fra universiteterne i Ulm og Strathclyde, har nu implementeret en ny teknik i laboratoriet, der kan bruges til effektivt at karakterisere de komplekse tilstande for kvantesimulatorer. Teknikken, kaldet matrix produkt tilstand tomografi, kunne blive et nyt standardværktøj til karakterisering af kvantesimulatorer.

Mange fænomener i kvanteverdenen kan ikke undersøges direkte i laboratoriet, og selv supercomputere mislykkes, når de prøver at simulere dem. Imidlertid, forskere er nu i stand til at styre forskellige kvantesystemer i laboratoriet meget præcist, og disse systemer kan bruges til at simulere andre kvantesystemer. Sådanne Quantum Simulatorer anses derfor for at være en af ​​de første konkrete anvendelser af den anden quantum revolution.

Imidlertid, karakterisering af store kvantetilstande, som er nødvendig for at styre udviklingen af ​​store kvantesimulatorer, viser sig at være svært. Den nuværende guldstandard for kvantestatskarakterisering i laboratoriet - kvantetilstandstomografi - er kun egnet til små kvantesystemer sammensat af en håndfuld kvantepartikler. Forskere fra Institute of Experimental Physics ved University of Innsbruck og Institute for Quantum Optics and Quantum Information fra det østrigske videnskabsakademi har nu etableret en ny metode i laboratoriet, der kan bruges til effektivt at karakterisere store kvantetilstande.

En samarbejdsindsats

I ionfælder, ladede atomer (ioner) afkøles til temperaturer tæt på absolut nul og manipuleres ved hjælp af lasere. Sådanne systemer repræsenterer en lovende tilgang til at udføre kvantsimuleringer, der kan gå ud over moderne supercomputers muligheder. Innsbrucks kvantefysikere er blandt verdens førende på dette område og kan i øjeblikket forvirre 20 eller flere ioner i deres fælder. For fuldt ud at karakterisere så store kvantesystemer, de har brug for nye metoder. For det, teoretikere omkring Martin Plenio fra University of Ulm, Tyskland, kom dem til hjælp. I 2010, Plenio-teamet foreslog en ny metode til karakterisering af komplekse kvantetilstande kaldet matrix-produkt-tilstandstomografi. Ved hjælp af denne metode, tilstanden af ​​en gruppe sammenfiltrede kvantepartikler kan estimeres præcist uden at indsatsen stiger dramatisk, efterhånden som antallet af partikler i gruppen øges. I samarbejde med holdene omkring Martin Plenio fra Ulm og Andrew Daley fra University of Strathclyde i Skotland, Innsbruck eksperimentelle fysikere omkring Christian Roos, Ben Lanyon og Christine Maier har nu implementeret denne procedure i laboratoriet.

Mere effektive målinger

Som en test sag, fysikerne byggede en kvantesimulator med op til 14 kvantebit (atomer), der først blev forberedt i en simpel starttilstand uden kvantekorrelationer. Næste, forskerne indviklede atomerne med laserlys og observerede den dynamiske udbredelse af sammenfiltring i systemet. "Med den nye metode, vi kan bestemme kvantetilstanden i hele systemet ved kun at måle en lille brøkdel af systemets egenskaber, "siger START-prisvinder Ben Lanyon. Teoretikerne omkring Martin Plenio tog karakteriseringen af ​​den globale kvantetilstand fra de målte data:" Metoden er baseret på, at vi teoretisk godt kan beskrive lokalt distribueret sammenfiltring godt og nu også kan måle det i laboratoriet. "

Da arbejdsgruppen for Rainer Blatt realiserede den første kvantebyte i 2005, mere end 6, 000 målinger var nødvendige for karakterisering af kvantetilstanden, taget over en periode på ti timer. Den nye metode kræver kun 27 målinger for at karakterisere det samme størrelsessystem, overtaget omkring 10 minutter. "Vi kunne vise, at denne metode kan bruges til effektivt at identificere store og komplekse kvantetilstande, "siger Christine Maier, et teammedlem fra Innsbruck. Nu ønsker forskerne at videreudvikle algoritmerne, så de også kan bruges fleksibelt af andre forskningsgrupper.

Ny guldstandard

Den nye metode tillader fuldstændig karakterisering af systemer, der indeholder et stort antal korrelerede kvantepartikler og giver dermed en sammenligningsmulighed for kvantesimuleringer. "Vi kan bruge den nye teknik til at kalibrere kvantesimulatorer, ved at sammenligne de tilstande, vi finder i laboratoriet, med dem, der forventes af analytiske beregninger, "forklarer Christian Roos." Så ved vi, om simulatoren gør, hvad vi vil. "Den nye metode tilbyder læger et værktøj til mange applikationer og kan blive en ny standard for kvantesimuleringer.