Nyt input til kvantesimuleringer

En international forskergruppe, herunder UvA -fysikeren Michael Walter, har udviklet nye metoder til at skabe interessante inputtilstande til kvanteberegninger og simuleringer. De nye metoder kan bruges til at simulere visse elektroniske systemer til vilkårligt høj nøjagtighed. Resultaterne blev offentliggjort i det førende tidsskrift Fysisk gennemgang X denne uge.

Når vi tænker på information, vi tænker ofte på klassiske computerbits:enheder, der kan lagre enten et '0' eller et '1', og som kan manipuleres til at udføre beregninger. For nylig, imidlertid, fysikere bliver mere og mere interesseret i kvanteinformationsteori, hvor de grundlæggende informationsenheder er kvantebits, eller qubits for kort. Qubits - små roterende elektroner, for eksempel - har to egenskaber, der gør dem endnu mere interessante end deres klassiske kolleger. Først og fremmest, de behøver ikke at være i nøjagtig tilstanden '0' eller '1' (drejer med eller mod uret, for eksempel), men de kan være i mere komplicerede superpositioner, noget som 'at have en 30% sandsynlighed for at dreje med uret og 70% for at dreje mod uret'. Ud over, qubits kan dele oplysninger med hinanden:sandsynlighederne for en qubit kan afhænge af sandsynlighederne for en anden qubit (i fysik sprog, qubits er viklet ind).

Simulering af kvantefysik

Sammen, disse to egenskaber gør kvanteinformation meget mere fleksibel og potentielt meget mere kraftfuld end klassisk information. Kvantecomputere, for eksempel, kan lave beregninger, som vi ikke ved, hvordan vi udfører ved hjælp af almindelige computere, selvom vi havde milliarder af år med computetid - det berømte eksempel er kodeknækning gennem primfaktorisering af store tal. Men kvantecomputere er ikke kun nyttige til løsning af matematiske problemer; de kan også være meget nyttige for fysikere. Simulering af kvantesystemer, for eksempel, er ret udførlig i en almindelig computer. Af deres natur, fremtidige kvantecomputere vil være meget mere veludstyrede til at lave sådanne simuleringer.

Nylige fremskridt med at forstå fysikken i kvanteinformation har ført til nye metoder til at simulere kvantefysik, både på eksisterende klassiske computere og på fremtidige kvantecomputere. Afgørende for denne udvikling er operationelle procedurer til at udarbejde interessante kvantetilstande, der kan tjene som input til disse beregninger og simuleringer. Et særligt spændende mål er, for eksempel, at beskrive de fysiske egenskaber ved elektronersystemer. Elektroniske egenskaber er vigtige både for kemi og materialevidenskab, men disse egenskaber har vist sig at være meget svære at beregne ved hjælp af traditionelle metoder.

En international gruppe forskere har nu gjort betydelige fremskridt med dette spørgsmål. Blandt dem er UvA -fysikeren Michael Walter, i øjeblikket adjunkt ved QuSoft instituttet i Amsterdam, og tidligere postdoktor ved Stanford, hvor en stor del af hans arbejde blev udført.

Walter og hans kolleger har trukket på indsigt fra mangekropsfysik, kvanteinformationsvidenskab, og signalbehandling for at udlede nye forberedelsesprocedurer for flere ikke-trivielle kvantetilstande. Resultaterne har form af "kvantekredsløb", som er sekvenser af fysiske operationer, der forbereder en interessetilstand fra en simpel starttilstand. Papiret betragter især en klasse af metalliske tilstande, som har vist sig udfordrende at tackle på grund af deres høje grad af kvanteindvikling. Gennem deres metoder, det er nu lykkedes forskerne at give forberedelsesprocedurer til disse stater.

De nye resultater, som blev offentliggjort i Fysisk gennemgang X denne uge, er bemærkelsesværdige, fordi metoderne ikke kun ser ud til at fungere; forfatterne kan faktisk matematisk bevise, at de skal fungere. Resultaterne danner en springbræt for fremtidige kvanteberegninger:papirets teknikker vil sandsynligvis tjene som et centralt element i håndteringen af ​​mere komplekse elektroniske tilstande, som omfatter virkningerne af elektroninteraktioner.