Ny teknik til at studere molekyler og materialer på kvantesimulator opdaget

En ny teknik til at studere egenskaberne af molekyler og materialer på en kvantesimulator er blevet opdaget.

Den banebrydende nye teknik, af fysiker Oleksandr Kyriienko fra University of Exeter, kunne være pionerer på en ny vej mod den næste generation af kvantecomputere.

Nuværende kvanteberegningsmetoder til at studere egenskaberne af molekyler og materialer på en sådan lille skala er afhængig af en ideel fejltolerant kvantecomputer eller variationsteknikker.

Denne nye foreslåede tilgang, i stedet er afhængig af implementeringen af ​​kvanteevolution, som ville være let tilgængelig i mange systemer. Fremgangsmåden er gunstig for moderne, avanceret kvanteopsætning, især inklusive kolde atomgitre, og kan tjene som software til fremtidige applikationer inden for materialevidenskab.

Undersøgelsen kunne bane vejen for at studere egenskaberne af stærkt korrelerede systemer, herunder eftertragtede Fermi-Hubbard-model, som potentielt kan tilbyde forklaringen på højtemperatursuperledning.

Forskningen er publiceret i det nye Nature-tidsskrift npj Kvanteinformation .

Dr. Kyriienko, en del af fysikafdelingen ved University of Exeter og hovedforfatter sagde:"Hidtil har jeg set, at evnen til at køre kvantedynamik kan bruges til at finde grundtilstandsegenskaberne.

"Spørgsmålet, imidlertid, rester - kan vi bruge det til at studere ophidsede tilstande? Kan vi udtænke en anden kraftfuld algoritme baseret på principperne? Erfaringen fortæller, at dette er muligt, og vil være genstand for fremtidige bestræbelser."

Ideen om kvantesimulering blev foreslået af nobelprisvinderen Richard Feynman i 1982, hvor han foreslog, at kvantemodeller kan simuleres mest naturligt, hvis vi bruger et velkontrolleret og iboende kvantesystem.

Udvikler på denne idé, en separat gren af ​​kvanteinformationsvidenskab er opstået, baseret på forestillingen om kvantecomputer - en universel kvanteenhed, hvor digitale sekvenser af operationer (kvanteporte) gør det muligt at løse visse problemer med overlegen skalering af den nødvendige drift sammenlignet med konventionelle klassiske computere.

Imidlertid, den oprindelige Feynmans hensigt, som senere blev kaldt analog kvantesimulering, indtil videre mest brugt til at observere dynamiske egenskaber af kvantesystemer, mens det udelukker at finde grundtilstanden forbundet med forskellige beregningsopgaver.

I den nye undersøgelse, Oleksandr Kyriienko har vist, at det er muligt at udnytte sekventiel udvikling af systemet med bølgefunktionsoverlapningsmålinger, sådan at effektiv undersøgelse af grundtilstandsegenskaber bliver mulig med analoge kvantesimulatorer.

Den vigtigste teknik, som gør det muligt at nå grundtilstand, er effektiv repræsentation af ikke-enhedsoperator, som "destillerer" grundtilstanden ved at køre summen af ​​enhedsudviklingsoperatorer for forskellige udviklingstider.

Vigtigere, undersøgelsen tyder på, at dynamikken i kvantesystemet er en værdifuld ressource til beregning, da evnen til at udbrede systemet parret med overlapningsmålinger kan give adgang til lavtemperaturspektret af et kvantesystem, som definerer dets adfærd.

Resultaterne etablerer rammerne med dynamik-baseret kvantesimulering ved hjælp af programmerbare kvantesimulatorer, og tjene som en kvantesoftware til mange velkontrollerede kvantegittersystemer, hvor et stort antal atomer (~100) udelukker klassisk simulering.

Dette kan igen revolutionere vores forståelse af komplekse kondenserede stofsystemer og kemi.