Et nyt design til kvantecomputere

At skabe en kvantecomputer, der er kraftig nok til at løse problemer, vi ikke kan løse med nuværende computere, er fortsat en stor udfordring for kvantefysikere. En velfungerende kvantesimulator - en bestemt type kvantecomputer - kan føre til nye opdagelser om, hvordan verden fungerer i de mindste skalaer.

Kvanteforsker Natalia Chepiga fra Delft University of Technology har udviklet en guide til, hvordan man opgraderer disse maskiner, så de kan simulere endnu mere komplekse kvantesystemer. Undersøgelsen er nu offentliggjort i Physical Review Letters .

"At skabe nyttige kvantecomputere og kvantesimulatorer er et af de vigtigste og mest omdiskuterede emner inden for kvantevidenskab i dag, med potentiale til at revolutionere samfundet," siger forsker Natalia Chepiga. Kvantesimulatorer er en type kvantecomputer. Chepiga forklarer, "Kvantesimulatorer er beregnet til at løse åbne problemer inden for kvantefysik for at skubbe vores forståelse af naturen yderligere. Kvantecomputere vil have brede applikationer inden for forskellige områder af det sociale liv, for eksempel inden for økonomi, kryptering og datalagring."

Rat

"En nøgleingrediens i en nyttig kvantesimulator er muligheden for at kontrollere eller manipulere den," siger Chepiga. "Forestil dig en bil uden rat. Den kan kun køre fremad, men kan ikke dreje. Er den nyttig? Kun hvis du skal køre i én bestemt retning; ellers vil svaret være 'nej!'. Hvis vi vil skabe en kvantecomputer, der vil være i stand til at opdage nye fysikfænomener i den nærmeste fremtid, skal vi bygge et 'rat' for at tune ind på det, der virker interessant I mit papir foreslår jeg en protokol, der skaber en fuldt kontrollerbar kvantesimulator."

Protokollen er en opskrift - et sæt ingredienser, som en kvantesimulator skal have for at kunne indstilles. I den konventionelle opsætning af en kvantesimulator er rubidium (Rb) eller cæsium (Cs) atomer målrettet af en enkelt laser. Som et resultat vil disse partikler optage elektroner og derved blive mere energiske; de bliver begejstrede.

"Jeg viser, at hvis vi skulle bruge to lasere med forskellige frekvenser eller farver, og derved spændende disse atomer til forskellige tilstande, kunne vi tune kvantesimulatorerne til mange forskellige indstillinger," forklarer Chepiga.

Protokollen tilbyder en ekstra dimension af, hvad der kan simuleres. "Forestil dig, at du kun har set en terning som en skitse på et fladt stykke papir, men nu får du en rigtig 3D-terning, som du kan røre ved, rotere og udforske på forskellige måder," fortsætter Chepiga. "Teoretisk set kan vi tilføje endnu flere dimensioner ved at bringe flere lasere ind."

Simulering af mange partikler

"Den kollektive opførsel af et kvantesystem med mange partikler er ekstremt udfordrende at simulere," forklarer Chepiga. "Ud over et par dusin partikler skal modellering med vores sædvanlige computer eller en supercomputer stole på tilnærmelser." Når man tager interaktionen af ​​flere partikler, temperatur og bevægelse i betragtning, er der simpelthen for mange beregninger til at udføre for computeren.

Kvantesimulatorer er sammensat af kvantepartikler, hvilket betyder, at komponenterne er sammenfiltret. "Entanglement er en slags gensidig information, som kvantepartikler deler indbyrdes. Det er en iboende egenskab ved simulatoren og gør det derfor muligt at overvinde denne beregningsmæssige flaskehals."

Flere oplysninger: Natalia Chepiga, Tunable Quantum Criticality in Multicomponent Rydberg Arrays, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.076505. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.12838

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af Delft University of Technology