Kvantesimulering kan hjælpe flyvninger til at køre til tiden

En kraftfuld ny computerform kan hjælpe forskere med at designe nye typer materialer til nanoelektronik, tillade flyselskaber at løse komplekse logistiske problemer for at sikre, at flyvninger kører til tiden, og tackle trafikpropper for at holde biler flyder mere frit på trafikerede veje.

Mens moderne digitale computere er i stand til imponerende beregninger, der er nogle problemer, som selv de mest avancerede supercomputere kæmper med. Men forskere mener, at nye computere, der udnytter kraften i kvantemekanikken, som styrer den underlige opførsel af mikroskopiske partikler som bosoner, fermioner, og alle kunne løse disse problemer på få sekunder.

Opbygning af kvantecomputere til generelle formål har vist sig at være usædvanligt vanskelig og i øjeblikket kun en håndfuld dyre maskiner er under udvikling.

Nogle forskere tager i stedet en anden tilgang ved at bygge computersystemer kendt som analoge kvantesimulatorer i et forsøg på at finde en genvej til nogle af svarene, kvantecomputere lover at give.

Disse simulatorer er designet til at udforske specifikke egenskaber ved kvantefysik ved at modellere, hvordan de mindste partikler i universet kan opføre sig. Dette kan igen bruges til at løse komplekse problemer i den store verden, der i øjeblikket er umulige at udarbejde eller kan tage et helt liv at gøre det ved hjælp af klassiske computere.

'Den analogi, jeg virkelig kan lide, er, at analoge kvantsimulatorer ligner lidt en vindtunnel, sagde professor Andrew Daley, en fysiker ved Strathclyde University, Storbritannien, og medlem af PASQuanS -projektet. 'For et par årtier siden var det umuligt at simulere luftstrøm på en computer, så i stedet ville du bygge en skala -model og sætte den i en vindtunnel.

'Men med analog kvantesimulering, skaleringen går den anden vej - frem for at lave en mindre version, du laver en større. Dette gør det mere kontrollerbart, og det er derfor lettere at lære detaljerne om, hvordan noget kan fungere. '

Skaleret op

Samler et team af forskere fra hele Europa, projektet forsøger at bygge nogle af de mest kraftfulde analoge kvantsimulatorer til dato ved hjælp af atomer og ioner som deres opskalerede modeller af subatomære partikler.

For eksempel, ultrakølede atomer, som er blevet afkølet til blot et par grader over det absolutte nul, kan suspenderes i et gitter dannet af laserlys for at simulere, hvordan elektroner kan bevæge sig i en krystal. Indtil nu, state-of-the-art kvantsimulatorer bruger omkring 100 ultrakølede atomer eller op til 20 ioner i deres modeller, men teamet håber at booste deres systemer til at have mere end 1, 000 atomer og op til 50 ioner.

Dette kan skubbe disse simulatorers magt langt ud over, hvad der er muligt med klassisk beregning i en langt kortere tidsperiode, end det ville være muligt ved at bygge en generel kvantecomputer, siger prof. Daley.

En vigtig udfordring er at gøre simulatorerne mere kontrollerbare og programmerbare. Forskerne, der er involveret i projektet, udvikler nye teknikker til at kontrollere atomerne, f.eks. at fange dem med laserpincet, spændende udvalgte atomer i højenergitilstande eller flytte dem, så de interagerer på forskellige måder.

'Den programmerbare bit handler om at gøre disse systemer meget kontrollerbare, på en velkalibreret måde, på niveauet for de enkelte gittersteder, individuelle ioner eller individuelle atomer, sagde prof. Daley.

Selvom disse simulatorer kunne hjælpe fysikere med at løse beskatningsspørgsmål om partiklers adfærd i kvantesystemer, de kan også bruges til at løse større virkelige problemer, også.

Quantum annealing algoritmer, for eksempel, udnytte en finurlighed af kvantefysik, hvorved subatomære partikler, atomer og større molekyler kan finde vejen til mindst modstand, når energitilstande ændres. Dette kan sammenlignes med at forsøge at rulle en bold op ad en bakke for at nå en dybere dal på den anden side - hvis bolden ikke får nok skub, det vil ikke have energi til at nå toppen af ​​bakken og vil simpelthen rulle baglæns. Kvantpartikler, til sammenligning, kan omgå de energitoppe, de skal overvinde ved simpelthen at tunnelere gennem dem.

Optimering

Denne evne til lettere at finde lavenergistater betyder lettere, at kvanteglødning kan bruges til at finde måder at optimere komplicerede trafiknet eller indviklede logistikkæder.

'Vi kan tage et problem fra et andet sted og kortlægge det på interaktionen mellem atomerne eller ionerne, sagde prof. Daley. 'Så kan vi begynde at stille spørgsmål for at finde den laveste energikonfiguration, der er mulig.'

Store virksomheder som Airbus, I alt, Bosch, Electricité de France (EDF) og Siemens har allerede udtrykt interesse for at undersøge denne tilgang. Forskere fra virksomhederne arbejder med projektet i et forsøg på at finde potentielle applikationer, der kan anvendes på deres kommercielle aktiviteter.

I fly, for eksempel, det kan bruges til at sikre, at fly og flybesætninger er på det rigtige sted, så flyvninger kan køre gnidningsløst.

Det kan også bruges til hurtigt at modellere den bedste måde at omdirigere trafik på travle veje for at undgå overbelastning og reducere forurening.

'Vi har oprettet et slutbrugerforum for at få specifikke ideer om den slags problemer, der kan implementeres på analoge kvantesimuleringsplatforme, sagde prof. Daley. 'Det er store problemer, der er særligt interessante for industrien, som vi derefter kunne efterligne på vores systemer.'

Kraftsimulators kraft går ud over at finde måder at optimere processer. Professor Daley og hans kolleger siger, at en af ​​de første applikationer af deres kvantesimulatorer vil være at hjælpe med at designe nye materialer, herunder til nanoelektronik og superledere.

Dette er noget, som Qombs -projektet også forfølger ved at oprette en analog kvantsimulering for at konstruere en ny generation af materiale, der kan producere infrarøde lasere, der er meget indstillelige. Bølgelængden - eller farven - på moderne lasere bestemmes af elementerne i dioden, der bruges til at generere lyset.

Men ved at dyrke krystaller, der indeholder forskellige koncentrationer af metaller som aluminium, gallium og arsen i lag, forskerne bag projektet ønsker at skabe halvledermaterialer, der kan producere laserlys ved bølgelængder, der ellers ville være umulige. Disse enheder er kendt som kvantekaskadelasere.

Lasere

'Vi bruger kvantesimuleringer til at optimere og opnå nye funktioner, der vil forbedre den ydeevne, der er mulig med kvantekaskadelasere i dag, sagde Dr. Francesco Cappelli, en forsker ved National Institute of Optics i Firenze, Italien, og medlem af Qombs -teamet.

Ved at simulere, hvordan elektroner og fotoner kan opføre sig i forskellige strukturer og koncentrationer af metaller, teamet håber på bedre at kunne kontrollere bølgelængden af ​​lys, der produceres af enhederne.

Hvis det lykkes, det kan føre til enheder, der kan producere lys med ekstremt lange bølgelængder, der strækker sig ind i midten og langt infrarød, noget der i øjeblikket ikke kan opnås.

'Disse kunne bruges i kommunikation, da lyset ikke absorberes af gasserne i atmosfæren ved disse bølgelængder, sagde Dr. Cappelli. 'Atmosfæren er ikke kun gennemsigtig, men spredning på grund af fugt og støv reduceres også i forhold til synlige lasere. '

Ved at indstille laserne til bestemte bølgelængder kan de også bruges i sensorer til at detektere specifikke gasser, såsom forurenende stoffer eller andre skadelige stoffer.

En kvantekaskadelaser indstillet til at udsende lys med den nøjagtige bølgelængde absorberet af nitrogendioxid, for eksempel, kunne bruges til præcist at måle niveauer af gassen i byområder.

'At designe halvlederkrystaller med denne slags egenskaber ville aldrig være muligt på klassiske computere, Sagde Dr. Capelli.

Kraften ved kvanteberegning

I traditionelle computere, oplysninger er indeholdt i binære cifre, eller bits, der har en enkelt værdi på enten 1 eller 0.

I kvante systemer, subatomære partikler kan eksistere ikke kun i binære 1 eller 0 tilstande, men de holder flere kombinationer af 1 og 0 på samme tid for at danne en "qubit". Da en qubit kan være 1, 0, eller 1 og 0 på én gang, det betyder, at mange flere beregninger kan udføres samtidigt.

Endnu mere underligt, par qubits kan også blive viklet ind, så når tilstanden for en ændres, den anden ændrer sig øjeblikkeligt med den, selvom de adskilles med store afstande. Dette mystiske fænomen øger eksponentielt en kvantemaskines talknusningsevne.