Een internationale groep onderzoekers, waaronder UvA-natuurkundige Michael Walter, hebben nieuwe methoden bedacht om interessante invoertoestanden voor kwantumberekeningen en simulaties te creëren. De nieuwe methoden kunnen worden gebruikt om bepaalde elektronische systemen met een willekeurig hoge nauwkeurigheid te simuleren. De resultaten zijn gepubliceerd in het toonaangevende tijdschrift Fysieke beoordeling X deze week.

Als we aan informatie denken, we denken vaak aan klassieke computerbits:apparaten die een '0' of een '1' kunnen opslaan en die kunnen worden gemanipuleerd om berekeningen uit te voeren. Onlangs, echter, natuurkundigen raken steeds meer geïnteresseerd in de kwantuminformatietheorie, waar de basiseenheden van informatie kwantumbits zijn, of kortweg qubits. Qubits - kleine draaiende elektronen, hebben bijvoorbeeld twee eigenschappen die ze nog interessanter maken dan hun klassieke tegenhangers. Allereerst, ze hoeven niet precies in de '0' of '1' staat te staan ​​(met de klok mee of tegen de klok in draaiend, bijvoorbeeld), maar ze kunnen zich in meer gecompliceerde superposities bevinden, zoiets als 'een kans van 30% hebben om met de klok mee te draaien en 70% tegen de klok in'. In aanvulling, qubits kunnen informatie met elkaar delen:de kansen voor de ene qubit kunnen afhangen van de kansen voor een andere qubit (in natuurkundetaal, de qubits zijn verstrengeld).

Kwantumfysica simuleren

Samen, deze twee eigenschappen maken kwantuminformatie veel flexibeler en potentieel veel krachtiger dan klassieke informatie. Kwantumcomputers, bijvoorbeeld, kan berekeningen doen waarvan we niet weten hoe we die moeten uitvoeren met gewone computers, zelfs als we miljarden jaren rekentijd hadden - het beroemde voorbeeld is het kraken van code door de priemfactorisatie van grote getallen. Maar kwantumcomputers zijn niet alleen nuttig voor het oplossen van wiskundige problemen; ze kunnen ook heel nuttig zijn voor natuurkundigen. Simuleren van kwantumsystemen, bijvoorbeeld, is vrij uitgebreid in een gewone computer. Door hun aard, toekomstige kwantumcomputers zullen veel beter uitgerust zijn om dergelijke simulaties uit te voeren.

Recente vooruitgang in het begrijpen van de fysica van kwantuminformatie heeft geleid tot nieuwe methoden om kwantumfysica te simuleren, zowel op bestaande klassieke computers als op toekomstige kwantumcomputers. Cruciaal voor deze ontwikkelingen zijn operationele procedures om interessante kwantumtoestanden voor te bereiden die als input kunnen dienen voor deze berekeningen en simulaties. Een bijzonder opwindend doel is, bijvoorbeeld, om de fysische eigenschappen van systemen van elektronen te beschrijven. Elektronische eigenschappen zijn zowel voor de scheikunde als voor de materiaalkunde belangrijk, maar deze eigenschappen bleken erg moeilijk te berekenen met traditionele methoden.

Een internationale groep onderzoekers heeft op dit punt inmiddels aanzienlijke vooruitgang geboekt. Onder hen is UvA-natuurkundige Michael Walter, momenteel een assistent-professor aan het QuSoft-instituut in Amsterdam, en voorheen een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford, waar een groot deel van zijn werk werd verricht.

Walter en zijn collega's hebben gebruik gemaakt van inzichten uit de veellichamenfysica, kwantum informatie wetenschap, en signaalverwerking om nieuwe voorbereidingsprocedures af te leiden voor verschillende niet-triviale kwantumtoestanden. De resultaten hebben de vorm van "kwantumcircuits", dat zijn reeksen van fysieke operaties die een staat van belang voorbereiden vanuit een eenvoudige begintoestand. Het artikel gaat in het bijzonder in op een klasse van metallische toestanden die een uitdaging zijn gebleken om aan te pakken vanwege hun hoge mate van kwantumverstrengeling. Door hun methoden, de onderzoekers zijn er nu in geslaagd om voor deze staten voorbereidingsprocedures te geven.

De nieuwe resultaten, die zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling X deze week, zijn opmerkelijk omdat de methoden niet alleen lijken te werken; de auteurs kunnen wiskundig bewijzen dat ze moeten werken. De resultaten vormen een springplank voor toekomstige kwantumberekeningen:de technieken van het papier zullen waarschijnlijk een sleutelelement zijn bij het aanpakken van complexere elektronische toestanden, waaronder de effecten van elektroneninteracties.