Kvantecomputere giver endnu et kig på klassiske fysikkoncepter

"Tænk, hvad vi kan gøre, hvis vi lærer en kvantecomputer at lave statistisk mekanik, " stillede Michael McGuigan, en beregningsforsker med Computational Science Initiative ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory.

På det tidspunkt, McGuigan reflekterede over Ludwig Boltzmann, og hvordan den berømte fysiker kraftigt måtte forsvare sine teorier om statistisk mekanik. Boltzmann, som fremsatte sine ideer om, hvordan atomare egenskaber bestemmer fysiske egenskaber af stof i slutningen af ​​det 19. århundrede, havde en ekstraordinær stor forhindring:Atomer blev ikke engang bevist at eksistere på det tidspunkt. Træthed og modløshed som følge af, at hans jævnaldrende ikke accepterede hans syn på atomer og fysik, hjemsøgte for altid Boltzmann.

I dag, Boltzmanns faktor, som beregner sandsynligheden for, at et system af partikler kan findes i en bestemt energitilstand i forhold til nulenergi, er meget brugt i fysik. For eksempel, Boltzmanns faktor bruges til at udføre beregninger på verdens største supercomputere for at studere atomers adfærd, molekyler, og kvark "suppen" opdaget ved hjælp af faciliteter såsom Relativistic Heavy Ion Collider placeret ved Brookhaven Lab og Large Hadron Collider ved CERN.

Selvom det tog en stor forandring at vise, at Boltzmann havde ret, dataloger er nu ved afgrunden af ​​en ny computerbølge, at tage springet fra supercomputere og bytes til kvantesystemer og kvantebits (eller "qubits"). Disse kvantecomputere har potentialet til at låse op for nogle af de mest mystiske begreber inden for fysik. Og, mærkeligt, disse såkaldte mysterier kan virke lidt velkendte for mange.

Tid og temperatur bragt til dig af...

Selvom de fleste mennesker er godt bekendt med begreberne tid og temperatur og tjekker dem flere gange om dagen, det viser sig, at disse grundlæggende begreber forbliver gådefulde i fysik.

Boltzmanns faktor hjælper med at modellere temperatureffekter, der kan bruges til at forudsige og kontrollere atomare adfærd og fysiske egenskaber, og de fungerer godt på klassiske computere. Imidlertid, på en kvantecomputer, de kvantelogiske porte, der bruges i beregningen (i lighed med logiske porte, der findes i digitale kredsløb) er repræsenteret ved komplekse tal, i modsætning til Boltzmanns faktor, som per definition, er ægte.

Dette problem tilbød McGuigan og hans studerende/medforfatter Raffaele Miceli et interessant problem at tackle ved hjælp af en kvanteberegningstestseng leveret af Brookhaven Labs adgangsaftale til IBMs universelle kvantecomputersystemer, gennem IBM Q Hub på Oak Ridge National Laboratory. Samarbejdet giver Brookhaven (blandt andet i netværk) adgang til IBMs kommercielle kvantesystemer, herunder 20- og 53-qubit-systemer til eksperimenter.

"På en kvantecomputer, der er en anden måde at simulere finite temperatur kaldet termofeltdynamik, som er i stand til at beregne mængder, der er både tids- og temperaturafhængige, McGuigan forklarede. "I denne formalisme, du konstruerer en dobbelt af systemet, kaldet termo dobbelt, fortsæt derefter med beregningen på en kvantecomputer, da beregningen kan repræsenteres i form af kvantelogiske porte med komplekse tal.

"Til sidst, du kan summere de dobbelte tilstande og generere en effektiv Boltzmanns faktor til beregninger ved endelig temperatur, " fortsatte han. "Der er også visse fordele ved formalismen. For eksempel, du kan studere virkningerne af endelig temperatur, og hvordan systemet udvikler sig i realtid, når tid og temperatur adskilles ved hjælp af denne kvantealgoritme. En ulempe er, at det kræver dobbelt så mange qubits som en nultemperaturberegning for at håndtere de dobbelte tilstande."

Miceli og McGuigan demonstrerede, hvordan man implementerer kvantealgoritmen for termofeltdynamik for endelig temperatur på et simpelt system, der involverer nogle få partikler, og fandt perfekt overensstemmelse med den klassiske beregning.

Deres arbejde brugte ressourcer fra både klassisk og kvantecomputere. Ifølge McGuigan, de brugte Qiskit open source kvantecomputersoftware, der gjorde det muligt for dem at skabe deres algoritme i skyen. Qiskit transpilerede derefter denne kode til impulser, der kommunikerer med en kvantecomputer i realtid (i dette tilfælde, en IBM Q-enhed). Optimizere, der kører klassiske algoritmer, muliggør yderligere frem og tilbage mellem de traditionelle og kvantesystemer.

"Vores eksperiment viser, at kvantesystemer har en fordel ved at repræsentere realtidsberegninger nøjagtigt i stedet for at rotere fra imaginær tid til realtid for at finde et resultat, McGuigan forklarede. "Det giver et mere sandt billede af, hvordan et system udvikler sig. Vi kan kortlægge problemet til en kvantesimulering, der lader det udvikle sig."

Ind i kosmos

Kvantekosmologi er et andet område, hvor McGuigan forudser, at nye kvanteberegningsmuligheder vil have stor indflydelse. På trods af de mange fremskridt i forståelsen af ​​universet, som er muliggjort af moderne supercomputere, nogle fysiske systemer forbliver uden for deres rækkevidde. Den matematiske kompleksitet, som normalt inkluderer at tage højde for fuld kvantetyngdekraftsteori, er simpelthen for stor til at få præcise løsninger. Imidlertid, en ægte kvantecomputer, komplet med evnen til at udnytte sammenfiltring og superposition, ville udvide mulighederne for nye, mere præcise algoritmer.

"Kvantesystemer kan realisere sti-integraler i realtid, giver os adgang til storskala simuleringer af universet, " sagde McGuigan. "Du kan visualisere den beregnede bølgefunktion af universet, mens det udvikler sig fremad uden først at formulere en fuldstændig teori om kvantetyngdekraften."

Igen, ved at bruge Qiskit-pakken og adgang til IBM Q-hardware, McGuigan og hans samarbejdspartner Charles Kocher, studerende ved Brown University, brugte en blanding af klassiske beregningsmetoder og VQE til at køre forskellige eksperimenter, inklusive en, der undersøgte systemer med tyngdekraft koblet til et bosonfelt kaldet en inflaton, en hypotetisk partikel, der spiller en vigtig rolle i moderne kosmologi. Deres arbejde viste, at hybrid VQE gav bølgefunktioner i overensstemmelse med Wheeler-Dewitt-ligningen, som matematisk kombinerer kvantemekanik med Albert Einsteins relativitetsteori.

Inspiration i voksende skala

Mens tidlige kvanteeksperimenter fører til forskellige perspektiver af det grundlæggende bag fysik, quantum computing forventes at bidrage med store fremskridt i retning af at løse langvarige problemer, der påvirker DOE's missioner. Blandt dem, det kan være et værktøj til at afsløre nye materialer, løse energiudfordringer, eller tilføjelse til grundlæggende forståelser (som tid og temperatur) inden for højenergifysik og kosmologi. På tur, disse ændringer kan vælte ind i mere let genkendelige områder.

For eksempel, lægemiddeludviklere har brug for mere realiseret kvantemekanik for at forstå strukturen af ​​molekyler. Kvantecomputere kan muliggøre opdagelser ved at tilbyde simuleringer af den fulde kvantemekanik, der ville give et virkelig praktisk synspunkt.

"Der ser ud til altid at være interesse for det grundlæggende bag fysik, " sagde McGuigan. "Det har været af interesse for offentligheden i årtusinder. Lige nu, kombinationen af ​​teoretisk ekspertise og faktisk teknologi konvergerer med kvanteberegning. Endnu, det er stadig en meget menneskelig bestræbelse."

For nu, at bruge kortsigtede kvantecomputere til at løse små termofeltproblemer eller til at tage et nyt kig på et gammelt univers, inspirerer forskere til at opskalere deres algoritmer, efterhånden som de gør større ting inden for videnskaben.

"Vi bliver modige til at gøre forskellige ting. Det gør vi alle, " sagde McGuigan. "Andre grupper rundt om i verden, såsom Perimeter Institute i Canada og Universiteit van Amsterdam i Holland, udvider allerede termofelt-dobbelt kvantealgoritmen til endnu større systemer. Med fremkomsten af ​​store kortsigtede kvantecomputere på 50-100 qubits, målet er at køre finite temperatursimuleringer på realistiske systemer, der involverer mange partikler. Det er spændende at have en egentlig kvantecomputer til at teste disse ideer og problemer, som vi engang ikke havde nogen løsninger på. Kvantemekanik uden afvejninger - det er, hvad videnskab handler om."