Digitale kvantesimulatorer kan være forbavsende robuste

Ved løsning af kvantefysiske problemer i mange kropssystemer, såsom forudsigelse af materialegenskaber, konventionelle computere når hurtigt grænserne for deres kapacitet. Digitale kvantesimulatorer kan hjælpe, men indtil nu er de drastisk begrænset til små systemer med få partikler og kun korte simuleringstider. Nu, Heidelberg Universitets fysiker Dr. Philipp Hauke ​​og kolleger fra Dresden og Innsbruck (Østrig) har vist, at sådanne simuleringer kan være mere robuste og dermed meget mere stabile end tidligere antaget. Resultaterne af deres forskning blev offentliggjort i Videnskab fremskridt .

I kvantefysikken, mangekroppsteori beskriver et stort antal interagerende partikler. I tilstanden termodynamisk ligevægt, mangekroppssystemet kan kun beskrives ved en håndfuld værdier som temperatur eller tryk, som stort set er homogene for hele systemet. Men hvad sker der over tid efter en større forstyrrelse, såsom når energi pludselig afsættes i en materialeprøve af korte laserpulser? Præcis beregning af den såkaldte ikke-ligevægtsdynamik i interaktive mangekropssystemer er et profileret problem i kvantefysikken.

Beregninger ved hjælp af konventionelle computere kræver ressourcer, der stiger eksponentielt med antallet af bestanddelte kvantepartikler. "Så beregningsmæssigt præcise metoder mislykkes med kun et par dusin partikler. Det er langt mindre end det antal, der er nødvendigt for at forudsige materialegenskaber, for eksempel. I sådanne tilfælde, forskere stoler på tilnærmelsesmetoder, der ofte er ukontrollerede, især når det kommer til dynamiske egenskaber, "forklarer Dr. Hauke, en forsker ved Kirchhoff Institut for Fysik og Institut for Teoretisk Fysik ved Heidelberg Universitet. Digital kvantsimulering giver en mulig løsning. Ubalancedynamikken studeres med simulatorer, der selv er styret af kvantemekaniske love.

At skildre tidsudviklingen i en kvantecomputer kræver, at den diskretiseres i individuelle operationer. Men denne tilgang - også kendt som Trotterization - genererer uundgåeligt en fejl i selve simuleringen. Denne Trotterfejl kan afhjælpes ved tilstrækkeligt fine diskretiseringer. Ekstremt små diskretiseringstrin skal vælges, imidlertid, for pålideligt at skildre en længere tids udvikling. Indtil nu, forskning har fastholdt, at fejlen hurtigt vokser over lange tidsperioder og med et større antal partikler - hvilket for alle praktiske formål drastisk begrænser digital kvantsimulering til små systemer og korte tider.

Ved hjælp af numeriske demonstrationer og analytiske argumenter, forskerne har nu vist, at kvantesimulering er meget mere "robust" og dermed mere stabil end tidligere antaget, så længe kun værdier, der er relevante i praksis - såsom gennemsnit over hele systemet - tages i betragtning og ikke den fulde tilstand af hver enkelt partikel. For sådanne værdier, der er en skarp tærskel mellem en region med kontrollerbare fejl og en simulering, der ikke længere kan levere et brugbart resultat. Under denne tærskel, Trotterfejlen har kun begrænset virkning - faktisk for alle tidsperioder, der praktisk talt kunne simuleres og stort set uafhængigt af antallet af bestanddele.

På samme tid, forskningen viste, at digital kvantsimulering kan levere forbløffende præcise resultater ved hjælp af uventet store Trotter -trin. "En simulering, der kan forudsige mange kvantepartiklers adfærd over længere tid, bliver derfor mere og mere sandsynligt. Dette åbner yderligere døren for praktiske anvendelser, lige fra materialevidenskab og kvantekemi til problemstillinger inden for grundlæggende fysik, "siger Dr. Hauke, der leder forskningsgruppen "Quantum optics and quantum many-body theory".