Forskere tager et skridt i retning af kvantemekanisk analyse af plantemetabolisme

Orkaner, trafikpropper, demografisk udvikling - at forudsige effekten af ​​sådanne begivenheder, computersimuleringer er påkrævet. Mange processer i naturen, imidlertid, er så komplicerede, at konventionelle computere fejler. Kvantesimulatorer kan løse dette problem. Et af de grundlæggende fænomener i naturen er samspillet mellem lys og stof i fotosyntesen. Fysikere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har nu taget et stort skridt i retning af kvantemekanisk forståelse af plantemetabolisme. Dette er rapporteret i Naturkommunikation tidsskrift.

"En kvantesimulator er det indledende stadium af en kvantecomputer. I modsætning til en kvantecomputer, imidlertid, den er ikke i stand til at foretage nogen beregninger, men er designet til at løse et bestemt problem, " siger Jochen Braumüller fra KIT's Physikalisches Institut (Institut of Physics). Da fotosyntesens høje effektivitet ikke kan forstås fuldstændigt med klassiske fysiske teorier, forskere som Braumüller bruger en kvantemodel. Sammen med videnskabsmænd fra Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP, Institut for teoretisk faststoffysik), han demonstrerede for første gang i et eksperiment, at kvantesimuleringer af samspillet mellem lys og stof fungerer i princippet.

Samspillet mellem lys og stof i fotosyntese kan beskrives som en interaktion mellem lysfotoner og stofatomer på mikroskopisk niveau. Den høje effektivitet af denne mekanisme på næsten 100 procent tyder på, at den er underlagt kvantefysikkens regler, hvilket er svært at simulere med klassiske computere og simple bits. I standard computing, information er repræsenteret af en switch, der kan lagre information som nul eller én. Kvantebits, derimod er i stand til at antage tilstanden nul og én på samme tid i henhold til kvantefysiske regler. Derfor, kvantecomputere eller de mere simple kvantesimulatorer kan løse problemet hurtigere og mere effektivt.

Braumüller og hans medforfattere har nu udviklet en af ​​de første fungerende komponenter til en kvantesimulator af lys-stof-interaktion:Superledende kredsløb som kvantebits repræsenterer atomerne, mens elektromagnetiske resonatorer repræsenterer fotonerne. Det lykkedes fysikerne at frembringe en effekt med kvantebitten og resonatoren, der antog to modsatte tilstande på samme tid. "Qubit og resonator er koblet, " siger Michael Marthaler fra KIT's TFP. "Dette er også årsagen til den eksponentielt forbedrede beregningskapacitet sammenlignet med klassiske computere." Opfyldelse af dette grundlæggende princip for kvantemekanik har demonstreret gennemførligheden af ​​analog kvantesimulering med superledende kredsløb, siger forskerne.

Som et næste skridt, de planlægger at udvide deres system via mange andre byggeklodser. "Klassisk simulering af dette udvidede system ville tage længere tid end universets alder, siger Martin Weides, som har stået i spidsen for en arbejdsgruppe på KIT's Physikalisches Institut siden 2015. Hvis den planlagte kvantemekaniksimulering lykkes, dette vil være en "milepæl på vejen mod en universel kvantecomputer."