Kvanttisimulaattori auttaa löytämään materiaaleja

Kvanttisimulaattoreissa kubittien ja niiden kytkentöjen dynamiikka voidaan rakentaa jäljittelemään elektronien käyttäytymistä niiden liikkuessa kiinteiden aineiden atomien välillä.

”Yleiskäyttöisillä digitaalisilla kvanttisimulaattoreilla on valtava lupaus, mutta ne ovat vielä kaukana. Analoginen emulointi on toinen lähestymistapa, joka voi tuottaa hyödyllisiä tuloksia lähitulevaisuudessa, erityisesti materiaalien tutkimisessa. Se on suoraviivainen ja tehokas kvanttilaitteiston sovellus, MIT:n Ilan Rosen selittää. "Käyttäen analogista kvanttiemulaattoria voin tarkoituksella asettaa aloituspisteen ja sitten katsella, mitä tapahtuu ajan funktiona."

Huolimatta niiden läheisestä samankaltaisuudesta materiaalien kanssa, materiaaleissa on muutamia tärkeitä ainesosia, joita ei voida helposti heijastaa kvanttilaskentalaitteistoon. Yksi tällainen ainesosa on magneettikenttä, jonka läsnä ollessa elektronien hyppykäyttäytyminen muuttuu monimutkaisemmaksi.

Suprajohtavassa kvanttitietokoneessa mikroaaltofotonit hyppivät kubittien välillä, ja niitä käytetään matkimaan atomien välillä hyppiviä elektroneja. Mutta koska fotonit eivät ole varautuneita hiukkasia kuten elektronit, fotonien hyppykäyttäytyminen olisi edelleen samanlainen kuin fysikaalisessa magneettikentässä.

MIT-tutkijat ovat kehittäneet erityisen suprajohtavan kvanttiprosessorin, joka koostuu 16 kubitistä. Ohjaamalla dynaamisesti, kuinka prosessorin 16 kubittia kytketään toisiinsa, tutkijat pystyivät jäljittelemään elektronien liikkumista atomien välillä sähkömagneettisen kentän läsnä ollessa. Lisäksi synteettinen sähkömagneettinen kenttä on laajasti säädettävissä, joten tutkijat voivat tutkia erilaisiamateriaalin ominaisuuksia.

Kun he saavuttivat oikeat asetukset, he vahvistivat, että fotonien dynamiikka ylläpitää useita yhtälöitä, jotka muodostavat sähkömagnetismin perustan. He osoittivat myös "Hall-ilmiön", johtamisilmiön, joka esiintyy vain sähkömagneettisen kentän läsnä ollessa.

Näin tulokset osoittavat, että heidän synteettinen sähkömagneettinen kenttä käyttäytyy kuin todellinen. Vaikka tämä työ oli ensimmäinen osoitus synteettisestä sähkömagneettisesta kentästä, se avaa oven monille mahdollisille löydöksille, Rosen jatkaa.

Sähkömagneettisten kenttien emulointi on ratkaisevan tärkeää materiaalien ominaisuuksien täydellisessä tutkimisessa. Tulevaisuudessa tämä tekniikka voisi valaista elektronisten järjestelmien keskeisiä ominaisuuksia, kuten johtavuutta, polarisaatiota ja magnetointia.

”Kvanttitietokoneet ovat tehokkaita työkaluja materiaalien ja muiden kvanttimekaanisten järjestelmien fysiikan tutkimiseen. Työmme mahdollistaa sen, että voimme simuloida paljon enemmän rikasta fysiikkaa, joka on kiehtonut materiaalitutkijoita", visioi Ilan Rosen, MIT:n postdoc ja tutkimuksen johtava kirjoittaja.

Uusin katsausartikkeli käsittelee sitä kuinka kvanttitietokoneet tavoittelevat erilaisia kubittien hallinnan menetelmiä ja pisimmälle tähtäävillä on tavoitteena jo vakiintuneella piitekniikalla tuotetut kvanttitietokoneet.

Aiheesta aiemmin:

Uusi resepti kvanttisimuloinnille

Timanteista kvanttisimulaattoreita

Kvanttisimulointia analogisesti ja koneoppimisella