Fysikere bruger hyperchaos til at modellere komplekse kvante systemer på en brøkdel af computerkraften

Fysikere har opdaget et potentielt spilskiftende træk ved kvantebitadfærd, som ville give forskere mulighed for at simulere komplekse kvantesystemer uden behov for enorm computerkraft.

I nogen tid, udviklingen af ​​den næste generation af kvantecomputere har været begrænset af behandlingshastigheden for konventionelle CPU'er. Selv verdens hurtigste supercomputere har ikke været stærke nok, og eksisterende kvantecomputere er stadig for små, at kunne modellere kvantestrukturer i moderat størrelse, såsom kvanteprocessorer.

Imidlertid, et team af forskere fra Loughborough og Nottingham og Innopolis universiteter har nu fundet en måde at omgå behovet for så store mængder magt ved at udnytte den kaotiske adfærd hos qubits - den mindste enhed af digital information.

Ved modellering af opførelsen af ​​kvantebits (qubits) fandt de ud af, at når en ekstern energikilde, såsom et laser- eller mikrobølgesignal, blev brugt blev systemet mere kaotisk - til sidst demonstrerede det fænomenet kendt som hyperchaos.

Da qubitterne var begejstrede for strømkilden, skiftede de tilstand, som almindelige computerbits, der skifter mellem nul og en, men på en meget mere uregelmæssig og uforudsigelig måde. Imidlertid, forskerne fandt ud af, at graden af ​​kompleksitet (hyperchaos) ikke steg eksponentielt, da systemets størrelse voksede - hvilket er, hvad man ville forvente - men i stedet, den forblev proportional med antallet af enheder.

I et nyt papir, "Fremkomst og kontrol af kompleks adfærd i drevne systemer med interaktive qubits med spredning, "offentliggjort i Nature journal NPJ Quantum Information , teamet viser, at dette fænomen har et stort potentiale for at tillade forskere at simulere store kvantesystemer.

En af de tilsvarende forfattere, Dr. Alexandre Zagoskin, fra Loughborough's School of Science, sagde:"En god analogi er flydesign. For at designe et fly, det er nødvendigt at løse visse ligninger af hydro (aero) dynamik, som er meget svære at løse og først blev mulige efter anden verdenskrig, da kraftfulde computere dukkede op. Alligevel, folk havde designet og flyvet fly længe før det. Det var fordi luftstrømmens adfærd kunne karakteriseres af et begrænset antal parametre, såsom Reynolds -nummeret og Mach -nummeret, som kunne bestemmes ud fra modeleksperimenter i lille skala. Uden dette, direkte simulering af et kvantesystem i alle detaljer, ved hjælp af en klassisk computer, bliver umulig, når den indeholder mere end et par tusinde qubits. I det væsentlige, der er ikke nok stof i universet til at bygge en klassisk computer, der er i stand til at håndtere problemet. Hvis vi kan karakterisere forskellige regimer på en 10, 000-qubit kvantecomputer med kun 10, 000 sådanne parametre i stedet for 2 ^{10, 000} - hvilket er cirka 2 gange 1 med tre tusinde nuller - det ville være et rigtigt gennembrud. "

De nye resultater viser, at et kvantesystem viser kvalitativt forskellige mønstre af generel sagsadfærd, og overgangene mellem dem styres af et relativt lille antal parametre.

Hvis dette generelt holder, så vil forskerne være i stand til at bestemme de kritiske værdier af disse parametre ud fra, f.eks., bygge og afprøve skalamodeller, og, ved at tage et par målinger af det faktiske system, at fortælle, om parametrene i vores kvanteprocessor tillader, at den fungerer korrekt eller ej.

Som en bonus, den kontrollerbare kompleksitet i adfærden i store kvantesystemer åbner nye muligheder for udviklingen af ​​nye kvantekryptografiværktøjer.