Uusi resepti kvanttisimuloinnille

Riittävän tehokkaan kvanttitietokoneen luominen ratkaisemaan ongelmia, joita emme voi ratkaista nykyisillä tietokoneilla, on edelleen suuri haaste kvanttifysiikoille.

Hyvin toimiva kvanttisimulaattori – tietyntyyppinen kvanttitietokone – voisi johtaa uusiin löytöihin siitä, miten maailma pienimmässä mittakaavassa toimii.

Kvanttitutkija Natalia Chepiga Delftin teknillisestä yliopistosta on kehittänyt oppaan näiden koneiden päivittämisestä niin, että ne voivat simuloida vieläkin monimutkaisempia kvanttijärjestelmiä.

"Hyödyllisten kvanttitietokoneiden ja kvanttisimulaattoreiden luominen on yksi tämän päivän kvanttitieteen tärkeimmistä ja kiistelyistä aiheista, ja se voi mullistaa yhteiskuntaa", sanoo tutkija Natalia Chepiga.

Kvanttisimulaattorit ovat eräänlainen kvanttitietokone, Chepiga selittää: "Kvanttisimulaattorit on tarkoitettu käsittelemään avoimia kvanttifysiikan ongelmia, jotta ymmärrystämme luonnosta saataisiin eteenpäin. Kvanttitietokoneilla tulee olemaan laajat sovellukset sosiaalisen elämän eri osa-alueilla, esimerkiksi taloudessa, salauksessa ja tietojen tallentamisessa.

"Hyödyllisen kvantisimulaattorin keskeinen osa on mahdollisuus ohjata tai manipuloida sitä", Chepiga sanoo. Jos haluamme luoda kvanttitietokoneen, joka pystyy löytämään uusia fysiikan ilmiöitä lähitulevaisuudessa, meidän on rakennettava "ohjaustapa", jotta voimme virittää sen, mikä näyttää mielenkiintoiselta. Kirjoituksessani ehdotan protokollaa, joka luo täysin ohjattavan kvanttisimulaattorin.

Protokolla on resepti – ainesosien joukko, jotka kvanttisimulaattorin tulee olla viritettävä. Kvanttisimulaattorin tavanomaisessa asetelmassa rubidium (Rb) tai cesium (Cs) atomit kohdistetaan yhdellä laserilla. Tämän seurauksena nämä hiukkaset ottavat vastaan elektroneja ja tulevat siten energisemmiksi; ne virittyvät. "Osoitan, että jos käyttäisimme kahta laseria eri taajuuksilla tai väreillä, mikä herättää nämä atomit eri tiloihin, voisimme virittää kvanttisimulaattorit moniin erilaisiin asetuksiin", Chepiga selittää.

Protokolla tarjoaa lisäulottuvuuden sille, mitä voidaan simuloida. "Kuvittele, että olet nähnyt kuution vain luonnoksena litteällä paperilla, mutta nyt saat oikean 3D-kuution, jota voit koskettaa, pyörittää ja tutkia eri tavoin", Chepiga jatkaa. "Teoriassa voimme lisätä vielä enemmän ulottuvuuksia tuomalla lisää lasereita."

"Monipartikkelisen kvanttijärjestelmän kollektiivinen käyttäytyminen on äärimmäisen haastavaa simuloida", Chepiga selittää. "Muutamien kymmenien hiukkasten lisäksi mallintamisen tavallisella tietokoneellamme tai supertietokoneellamme on turvauduttava likiarvoihin." Kun otetaan huomioon useamman hiukkasen vuorovaikutus, lämpötila ja liike, tietokoneelle on yksinkertaisesti liian monia laskelmia suoritettavaksi.

Kvanttisimulaattorit koostuvat kvanttihiukkasista, mikä tarkoittaa, että komponentit ovat kietoutuneet toisiinsa. "Lomittuminen on jonkinlaista keskinäistä informaatiota, jonka kvanttihiukkaset jakavat keskenään. Se on simulaattorin luontainen ominaisuus ja mahdollistaa siksi tämän laskennallisen pullonkaulan voittamisen."

Aiheesta aeiemmin:

Timanteista kvanttisimulaattoreita

Lupaavia rakenneosia kvanttisimulaattoreille

Kvanttisimulointia analogisesti ja koneoppimisella