Een internationale samenwerking van kwantumfysici van de Universiteit van Bristol, Microsoft, Google, keizerlijke universiteit, Max Planck Instituut, en de Sun Yat-sen University hebben een nieuw algoritme geïntroduceerd om de energiestructuur van kwantumsystemen op kwantumcomputers op te lossen.

Ze hebben dit algoritme getest op een silicium-quantumfotonische processor die de berekening uitvoert met behulp van fotonen, de elementaire lichtdeeltjes.

De energiestructuur van een kwantumsysteem bestaat uit gekwantiseerde energieniveaus, het laagste energieniveau wordt grondtoestand genoemd, terwijl de hogere energieniveaus aangeslagen toestanden worden genoemd.

Vooral, dit nieuwe algoritme is in staat om de aangeslagen toestanden te vinden op een manier die geen direct analoog lijkt te hebben op een klassieke computer, een nieuwe manier bieden om natuurkunde en scheikunde op microscopisch niveau te bestuderen.

Fundamentele chemische en fysische eigenschappen van systemen kunnen worden gekenmerkt door het vinden van een bepaalde reeks gekwantiseerde toestanden, eigentoestanden genaamd, die de grondtoestand van het systeem (de toestand met minimale energie) en aangeslagen toestanden (stationaire toestanden met hogere energieën) bevat.

Auteur Jarrod McClean, van Google's Quantum AI Lab, zei:"Het uitbreiden van de toolkit voor opgewonden toestanden is cruciaal als we willen dat kwantumcomputers een zinvolle bijdrage leveren aan belangrijke gebieden zoals zonnecellen en batterijen."

De verwachting is dat grote kwantumcomputers in staat zullen zijn om complexe chemische systemen te simuleren, een taak die onmogelijk is voor klassieke computers, het vergroten van onze kennis van natuurkunde en scheikunde.

Het onderzoek, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift, wetenschappelijke vooruitgang , werd geleid door onderzoekers van de School of Physics van de University of Bristol.

Hoofdauteur Dr. Raffaele Santagati zei:"In dit werk bieden we een nieuw hulpmiddel voor het bestuderen van de eigenschappen van kwantumsystemen met kwantumcomputers."

Dit doel wordt bereikt door een benadering van kwantumsimulatie te introduceren op basis van het nieuwe concept van "eigenstaatgetuige", een grootheid die detecteert of een gegeven kwantumtoestand dichtbij een eigentoestand van het systeem ligt of niet.

Dr Jianwei Wang, ook van de Universiteit van Bristol, toegevoegd:"We hebben het protocol met succes getest voor een proof-of-concept-case in een silicium-quantumfotonische chip, waaruit blijkt dat het toepasbaar is om complexere systemen te simuleren in realistische kwantumapparaten voor de korte termijn."

Kort na de demonstratie in Bristol, een andere benadering is experimenteel aangetoond door Dr. Jeremy Colless en collega's van de UCA in Berkeley, supergeleidende qubits gebruiken.

De onderzoekers voorzien dat de belangrijkste bevindingen van dit artikel onderzoek naar verbeteringen in het voorgestelde algoritme en de opkomst van nieuwe toepassingen zullen stimuleren.

Geavanceerde kwantumcomputers zullen krachtige toepassingen ontsluiten, en dit zal naar verwachting in de komende decennia mogelijk zijn, wanneer kwantumcomputers met ongeveer 200 qubits beschikbaar komen.

Dr. Santagati voegde toe:"Verdere ontwikkeling van geïntegreerde kwantumfotonica, het realiseren van complexere apparaten, maakt meer bruikbare fotonische kwantumsimulatoren mogelijk."