Ny algoritme til at simulere strukturen af ​​kvantesystemer på en kvantefotonisk chip

Et internationalt samarbejde mellem kvantefysikere fra University of Bristol, Microsoft, Google, Imperial College, Max Planck Instituttet, og Sun Yat-sen University har introduceret en ny algoritme til at løse energistrukturen af ​​kvantesystemer på kvantecomputere.

De har testet denne algoritme på en silicium kvantefotonisk processor, som udfører beregningen ved hjælp af fotoner, lysets elementære partikler.

Energistrukturen i et kvantesystem er lavet af kvantiserede energiniveauer, det laveste energiniveau kaldes grundtilstand, mens de højere energiniveauer kaldes exciterede tilstande.

I særdeleshed, denne nye algoritme er i stand til at finde de exciterede tilstande på en måde, der ikke ser ud til at have nogen direkte analog på en klassisk computer, giver en ny måde at studere fysik og kemi på på mikroskopisk niveau.

Grundlæggende kemiske og fysiske egenskaber ved systemer kan karakteriseres ved at finde et bestemt sæt af kvantificerede tilstande kaldet egentilstande, som indeholder grundtilstanden af ​​systemet (tilstanden med minimal energi) og exciterede tilstande (stationære tilstande med højere energier).

Forfatter Jarrod McClean, fra Googles Quantum AI Lab, sagde:"Udvidelse af værktøjssættet til ophidsede tilstande er afgørende, hvis vi ønsker, at kvantecomputere skal yde meningsfulde bidrag til vigtige områder såsom solceller og batterier."

Det forventes, at store kvantecomputere vil være i stand til at simulere komplekse kemiske systemer, en opgave umulig for klassiske computere, øge vores viden om fysik og kemi.

Forskningen, offentliggjort i dag i tidsskriftet, Videnskabens fremskridt , blev ledet af forskere fra University of Bristol's School of Physics.

Hovedforfatter Dr. Raffaele Santagati sagde:"I dette arbejde giver vi et nyt værktøj til at studere egenskaberne af kvantesystemer med kvantecomputere."

Dette mål opnås ved at introducere en tilgang til kvantesimulering baseret på det nye koncept "egenstatsvidne", en størrelse som detekterer om en given kvantetilstand er tæt på en egentilstand i systemet eller ej.

Dr Jianwei Wang, også fra University of Bristol, tilføjede:"Vi testede med succes protokollen for et proof-of-concept-hus i en silicium kvantefotonisk chip, viser dets anvendelighed til at simulere mere komplekse systemer i realistiske kortsigtede kvanteenheder."

Kort efter Bristol-demonstrationen, en anden tilgang er eksperimentelt blevet demonstreret af Dr. Jeremy Colless og kolleger fra UCA i Berkeley, ved hjælp af superledende qubits.

Forskerne forudser, at nøgleresultaterne i denne artikel vil fremme forskning i retning af forbedringer i den foreslåede algoritme og fremkomsten af ​​nye applikationer.

Avancerede kvantecomputere vil låse op for kraftfulde applikationer, og dette forventes at være muligt inden for de næste par årtier, når kvantecomputere med cirka 200 qubits vil være tilgængelige.

Dr. Santagati tilføjede:"Yderligere udvikling af integreret kvantefotonik, realisere mere komplekse enheder, vil muliggøre mere nyttige fotoniske kvantesimulatorer."