I et øjeblik:Team bruger kvantum af lys til at oprette en ny kvantsimulator

Forestil dig, at du sidder fast inde i en labyrint og vil finde din vej ud. Hvordan ville du gå frem? Svaret er trial and error. Sådan fungerer traditionelle computere med klassiske algoritmer for at finde løsningen på et komplekst problem. Overvej nu dette:Hvad hvis, ved magi, kunne du klone dig selv ind i flere versioner, så du var i stand til at gå igennem alle de forskellige stier på samme tid? Du finder udgangen næsten øjeblikkeligt.

Det viser sig, at vi ikke taler om magi - vi taler atomiske og subatomære partikler. En elektron, for eksempel, kan være flere steder på én gang. Dette er et grundlæggende naturprincip kendt i kvantemekanikken som superpositionsprincippet.

Nu, forestil dig, hvis vi drager fordel af dette princip og anvender det på vores klassiske simulatorer og computere. Forestil dig, hvor dramatisk mere effektive vi ville være til informationsbehandling!

Dette er princippet bag kvantecomputere og kvantesimulatorer. I det væsentlige, kvantecomputere bruger de subatomære partiklers evne til at eksistere mere end ét sted ad gangen.

Kvantesimulatorer er ikke kun gode til effektivitet i behandlingstider, men de er det "naturlige" valg for at simulere enkle og komplekse systemer i naturen. Dette er en direkte konsekvens af, at naturen i sidste ende er styret af kvantemekanikkens love.

Kvantesimulatorer giver os en glimrende mulighed for at simulere grundlæggende aspekter af naturen og forstå deres skjulte dynamik uden selv at se på kompleksiteten, der opstår som følge af de forskellige partikler og deres interaktioner. Dette er netop motivet bag forskning af professor Ebrahim Karimi og hans team.

Karimis team simulerer periodiske og lukkede strukturer i naturen, såsom ringformede molekyler og krystallinske gitter, ved at påberåbe sig lysets kvantemekaniske egenskaber. Resultaterne kan hjælpe os med at forstå dynamikken i sådanne systemer samt åbne muligheden for at udvikle effektive fotonisk baserede kvantecomputere.

Karimis team har med succes bygget og drevet den første nogensinde kvantesimulator designet specielt til simulering af cykliske (ringformede) systemer. En kvantesimulator simulerer et kvantesystem. Holdet brugte kvanten af ​​lys (foton) til at simulere kvantebevægelsen af ​​elektroner inde i ringe lavet af forskelligt antal atomer. Eksperimentresultaterne afslørede, at fysikken i ringformede systemer er fundamentalt forskellig fra de line-formede.

Derved, teamet etablerede en kraftfuld eksperimentel teknik til at simulere en bred klasse af atomsystemer og åbnede et nyt vindue for at udforske mange muligheder som følge af dets arbejde.

"Vi forventer, at inden for en kort periode, vores forskning vil have en meget stor indvirkning på forskellige discipliner, lige fra medicin til datalogi, fra organisk kemi og biologi til materialevidenskab og grundlæggende fysik, "siger Dr. Farshad Nejadsattari, en af ​​Karimis postdoktorer, der var en del af projektet.

I en kvantesimulator, en kvantepartikel, der let kan kontrolleres og er fysisk godt forstået (i vores tilfælde en lyspartikel, en foton) får lov til at forplante sig inde i et system, der er designet til at ligne det, der simuleres.

Nogle interessante opdagelser fra dette eksperiment omfatter at finde specifikke måder at fordele partiklen på ringen på, så fordelingen aldrig ændres, når partiklen formerer sig, og også finde tilfælde, hvor partiklen først spreder sig på ringen og derefter dukker op igen på det sted, hvor den oprindeligt blev placeret. Dette er aldrig set eksperimentelt i nogen kvantesimulator.

Med kvantesimuleringsteknikker, der bliver mere modne og komplekse, syntetisering af nye materialer, kemikalier og lægemiddeludvikling vil blive meget forenklet. Kvantesimulatoren hjælper med at give al den information, man har brug for på et øjeblik.