Kvantesystemer og biens flugt

Ved første øjekast kan et system bestående af 51 ioner virke let overskueligt. Men selvom disse ladede atomer kun ændres frem og tilbage mellem to tilstande, er resultatet mere end to kvadrillioner (10 ¹⁵ ) forskellige bestillinger, som systemet kan påtage sig.

Sådan et systems adfærd er næsten umulig at beregne med konventionelle computere, især da en excitation introduceret til systemet kan forplante sig uregelmæssigt. Excitationen følger et statistisk mønster, der omtales som en Lévy Flight.

Et kendetegn ved sådanne bevægelser er, at der udover de mindre spring, der må forventes, også sker væsentligt større spring. Dette fænomen kan også observeres i biers flyvninger og i usædvanlige voldsomme bevægelser på aktiemarkedet.

Simulering af kvantedynamik:Traditionelt en vanskelig opgave

Mens simulering af dynamikken i et komplekst kvantesystem er en meget stor opgave for selv traditionelle supercomputere, er opgaven en barneleg for kvantesimulatorer. Men hvordan kan resultaterne af en kvantesimulator verificeres uden evnen til at udføre de samme beregninger, som den kan?

Observation af kvantesystemer indikerede, at det kunne være muligt at repræsentere i det mindste sådanne systemers langsigtede adfærd med ligninger som dem, Bernoulli-brødrene udviklede i det 18. århundrede for at beskrive væskers adfærd.

For at teste denne hypotese har forfatterne af en undersøgelse offentliggjort i Science brugt et kvantesystem, som simulerer kvantemagneternes dynamik. De var i stand til at bruge det til at bevise, at systemet, efter en indledende fase domineret af kvantemekaniske effekter, faktisk kunne beskrives med ligninger af den type, der er kendt fra fluiddynamikken.

Ydermere viste de, at den samme Lévy Flight-statistik, som beskriver de søgestrategier, der anvendes af bier, også gælder for væskedynamiske processer i kvantesystemer.

Fangede ioner som en platform for kontrollerede kvantesimuleringer

Kvantesimulatoren blev bygget på Instituttet for Kvanteoptik og Kvanteinformation (IQOQI) fra det østrigske videnskabsakademi ved University of Innsbruck Campus. "Vores system simulerer effektivt en kvantemagnet ved at repræsentere nord- og sydpolen af ​​en molekylær magnet ved hjælp af to energiniveauer af ionerne," siger IQOQI Innsbruck-forsker Manoj Joshi.

"Vores største tekniske fremskridt var det faktum, at det lykkedes os at adressere hver enkelt af de 51 ioner individuelt," bemærker Manoj Joshi. "Som et resultat var vi i stand til at undersøge dynamikken i et hvilket som helst ønsket antal begyndelsestilstande, hvilket var nødvendigt for at illustrere fremkomsten af ​​væskedynamikken."

"Mens antallet af qubits og stabiliteten af ​​kvantetilstandene i øjeblikket er meget begrænset, er der spørgsmål, som vi allerede i dag kan bruge kvantesimulatorernes enorme regnekraft til," siger Michael Knap, professor i kollektiv kvantedynamik ved det tekniske universitet. af München.

"I den nærmeste fremtid vil kvantesimulatorer og kvantecomputere være ideelle platforme til at forske i dynamikken i komplekse kvantesystemer," forklarer Michael Knap. "Nu ved vi, at efter et vist tidspunkt følger disse systemer lovene for klassisk væskedynamik. Enhver kraftige afvigelse fra det er en indikation af, at simulatoren ikke fungerer korrekt." + Udforsk yderligere

Manipulering af de mørke tilstande af superledende kredsløb i en mikrobølgeleder