Kwantumsimulatoren, die speciale kwantumcomputers zijn, zal onderzoekers helpen bij het identificeren van materialen met nieuwe en nuttige eigenschappen. Deze verleidelijke toekomst heeft zojuist een stap voorwaarts gezet dankzij een samenwerking tussen Google en onderzoekers van universiteiten in Californië, Singapore en Griekenland.

Het internationale team gebruikte fotonen in de kwantumchip van Google om het verrassende en mooie patroon van de 'Hofstadter-vlinder' te simuleren, een fractale structuur die het gedrag van elektronen in sterke magnetische velden karakteriseert. De resultaten, gepubliceerd op 1 december in Wetenschap , laten zien hoe kwantumsimulators hun belofte als krachtige tools beginnen waar te maken.

"We hebben altijd het idee gehad dat we fotonen kunnen gebruiken om de natuur te simuleren en beter te begrijpen. Onze samenwerking brengt dit in de praktijk, " zegt Dimitris Angelakis van het Center for Quantum Technologies, Nationale Universiteit van Singapore.

De prestatie werd uitgevoerd op Google's keten van negen supergeleidende kwantumbits (qubits) door medewerkers van Google en de University of California Santa Barbara in de Verenigde Staten, de Nationale Universiteit van Singapore en de Technische Universiteit van Kreta, Griekenland. Het laat zien hoe een kwantumsimulator allerlei exotisch complex kwantumgedrag kan reproduceren. Dit zal onderzoekers in staat stellen om materialen met exotische elektronische geleidingseigenschappen te simuleren - en dus te engineeren, mogelijk een reeks nieuwe toepassingen openen.

"Met chips die vergelijkbaar zijn met degene die in dit experiment is gebruikt, we zijn geïnteresseerd om problemen in de kern van gecondenseerde materie te bestuderen, statistische mechanica, en niet-evenwichtsdynamiek, " zegt Google's Pedram Roushan, een kwantumelektronica-ingenieur.

De vlinder van Hofstadter verscheen voor het eerst in 1976, in berekeningen van elektronen in een tweedimensionaal materiaal in een sterk magnetisch veld. De vlinder brengt de splitsingen en verschuivingen van de energieniveaus van het elektron in kaart met veranderingen in de veldsterkte. In deze kwantumsimulatie de fotonen namen de rol van de elektronen op zich, terwijl poorten op de qubits een analoog van het magnetische veld verschaften. Het vlinderpatroon kwam voort uit de metingen van het team.

Het experiment was gebaseerd op de uitvinding van het team van een nieuwe spectroscopietechniek die ze 'hit and listen' noemen. De techniek brengt de energieniveaus van lichtdeeltjes in kaart, microgolf fotonen, opgeslagen in de negen qubits.

"Onze methode is als het slaan op een bel. Het geluid dat het maakt, is een superpositie van alle basisharmonischen. Door er een paar keer op verschillende posities op te slaan en lang genoeg naar de melodie te luisteren, men kan de verborgen harmonischen oplossen. We doen hetzelfde met de kwantumchip, door het te raken met fotonen en dan zijn evolutie in de tijd te volgen, ", legt Angelakis uit. Het team zag de vlinder door de qubits met één foton tegelijk te raken.

Het team raakte ook de qubits met twee fotonen tegelijk, en maakte de qubits wanordelijk - programmeerde wat willekeur in hun eigenschappen - om het complexe fenomeen te bestuderen dat bekend staat als 'veellichaamslokalisatie'. Dit is een kwantumfaseovergang, verwant aan de faseverandering die optreedt wanneer water bevriest tot ijs, die bepaalt of materialen geleiders of isolatoren zijn Het team vond voorlopers van de lokalisatie van veel lichamen door hun 'hit and listen'-techniek toe te passen op verschillende regimes van wanorde en interactie.

Om grip te krijgen op dit soort fenomenen kan een andere weg zijn naar het ontwerpen van bruikbare nieuwe materialen met exotische geleidingseigenschappen. Echter, natuurkundigen hebben in het algemeen moeite om dergelijke complexe scenario's te simuleren. In de jaren vijftig werd voorspeld dat wanorde in een materiaal de beweging van elektronen erdoorheen zou kunnen blokkeren. Dat heet lokalisatie. Maar als de deeltjes met elkaar kunnen interageren, het probleem wordt 'many-body' - en veel moeilijker te modelleren.

Voor slechts twee fotonen over negen qubits, het team kon op conventionele computers simuleren welk gedrag te verwachten, het vinden van goede overeenstemming met hun experimentele resultaten. Maar voeg nog een paar qubits toe en het probleem wordt onhandelbaar voor klassieke machines.

Dat maakt het vooruitzicht van grotere kwantumsimulatoren aantrekkelijk voor wetenschappers - ze zouden problemen kunnen aanpakken die buiten het bereik van de huidige supercomputers liggen.

"Het begrijpen van kwantumfasen is nog steeds een van de onopgeloste mysteries van de natuurkunde", zegt Roushan.