Forskere gør spring i simulering af kvantepartikler

Ny kvanteteorisk forskning, ledet af akademikere ved University of St Andrews 'School of Physics, kunne transformere den måde, forskere forudsiger, hvordan kvantepartikler opfører sig.

Kvanteteori er en hjørnesten i moderne fysik, forklarer adfærd af isolerede partikler, ligesom elektronerne, der kredser om atomer. Det har vist os, at kvantepartikler har et stort potentiale for applikationer, såsom kraftfulde kvantecomputere med potentiale til at løse komplekse problemer meget hurtigere end konventionelle computere.

I de seneste år, muligheden for at bruge kvantepartiklernes tilstande til at opbevare information er blevet en realitet i laboratoriet. Dette har ført til udviklingen af ​​kvanteprocessorer, der består af kun et par kvantebits, 'qubits' - partikler, der gemmer en bestemt kvantetilstand. I modsætning til bitene i konventionelle computere, som kan være enten nul eller en, en qubit kan være i en 'superposition' på nul og en på samme tid. Hvis der kan foretages beregninger på denne superposition, det tillader nogle problemer, som at søge i databaser, der skal gøres hurtigere end på almindelige computere.

Den nye forskning, udgivet i Naturkommunikation (Mandag den 20. august), som fokuserede på individuelle qubits adfærd, åbner muligheden for mere trofaste simuleringer af den næste generation af kvanteprocessorer og kan tillade ny indsigt i kvantemekanik og udvikling af kraftfulde kvantecomputere.

Studiet, ledet af teoretiske fysikere, Dr. Brendon Lovett og Dr. Jonathan Keeling, bemærkede, at hvis rigtige qubits opførte sig som lærebogen qubits, søgen efter at bygge en kvantecomputer ville være let. Imidlertid, i modsætning til lærebogsmodellerne af qubits, virkelige qubits er aldrig virkelig isolerede, de interagerer kontinuerligt med det store antal andre partikler i verden. Det betyder, at det er meget svært at forsøge at skabe en matematisk model for en qubits adfærd, da vi nu også skal holde styr på, hvad resten af ​​verden også gør. For at gøre dette kræver eksplicit en mængde oplysninger, der ikke kan lagres, selv på de største computere, vi har. For at undgå dette, enkle modeller af interaktionen mellem individuelle qubits og resten af ​​verden bruges ofte, men disse kan gå glip af afgørende effekter.

Dr. Lovett sagde:"Vores forskning har fundet en banebrydende ny måde at holde den mest relevante brøkdel af information på, muliggøre en nøjagtig beskrivelse af qubits opførsel, selv på en almindelig bærbar computer. Dette arbejde åbner ikke kun op for muligheden for mere trofaste simuleringer af den næste generation af kvanteprocessorer, men det kan give os en helt ny indsigt i, hvordan kvantemekanik fungerer, når mange partikler sættes sammen. "

Papiret 'Effektiv ikke-markovisk kvantedynamik ved hjælp af tidsudviklende matrixproduktoperatører' udgives i Naturkommunikation .