Nieuw onderzoek naar kwantumtheorie, geleid door academici aan de School of Physics van de Universiteit van St. Andrews, zou de manier kunnen veranderen waarop wetenschappers voorspellen hoe kwantumdeeltjes zich gedragen.

Kwantumtheorie is een hoeksteen van de moderne natuurkunde, het gedrag van geïsoleerde deeltjes verklaren, zoals de elektronen die om atomen draaien. Het heeft ons laten zien dat kwantumdeeltjes een groot potentieel hebben voor toepassingen, zoals krachtige kwantumcomputers met het potentieel om complexe problemen veel sneller op te lossen dan conventionele computers.

In recente jaren, de mogelijkheid om de toestanden van kwantumdeeltjes te gebruiken om informatie vast te houden, is een realiteit geworden in het laboratorium. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van kwantumprocessors gemaakt van slechts een paar kwantumbits, 'qubits' - deeltjes die een bepaalde kwantumtoestand opslaan. In tegenstelling tot de bits in conventionele computers, die nul of één kan zijn, een qubit kan tegelijkertijd in een 'superpositie' van nul en één staan. Als er op deze superpositie kan worden gerekend, het laat wat problemen toe, zoals het doorzoeken van databases om sneller gedaan te worden dan op gewone computers.

Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in Natuurcommunicatie (maandag 20 augustus), die zich richtte op het gedrag van individuele qubits, opent de mogelijkheid van meer getrouwe simulaties van de volgende generatie kwantumprocessors en kan nieuwe inzichten in de kwantummechanica en de ontwikkeling van krachtige kwantumcomputers mogelijk maken.

De studie, geleid door theoretische fysici, Dr. Brendon Lovett en Dr. Jonathan Keeling, merkte op dat als echte qubits zich gedroegen als de leerboek-qubits, de zoektocht naar het bouwen van een kwantumcomputer zou eenvoudig zijn. Echter, in tegenstelling tot de leerboekmodellen van qubits, echte qubits zijn nooit echt geïsoleerd, ze interageren continu met het enorme aantal andere deeltjes in de wereld. Dit betekent dat het erg moeilijk is om een ​​wiskundig model van het gedrag van een qubit te maken, want we moeten nu ook bijhouden wat de rest van de wereld doet. Hiervoor is expliciet een hoeveelheid informatie nodig die niet kan worden opgeslagen, zelfs op de grootste computers die we hebben. Om dit te voorkomen, eenvoudige modellen van de interactie tussen individuele qubits en de rest van de wereld worden vaak gebruikt, maar deze kunnen cruciale effecten missen.

Dr. Lovett zei:"Ons onderzoek heeft een baanbrekende nieuwe manier gevonden om de meest relevante fractie van informatie te bewaren, waardoor een exacte beschrijving van het gedrag van de qubit zelfs op een gewone laptop mogelijk is. Dit werk opent niet alleen de mogelijkheid van meer getrouwe simulaties van de volgende generatie kwantumprocessors, maar zou ons ook geheel nieuwe inzichten kunnen geven in hoe de kwantummechanica werkt wanneer veel deeltjes bij elkaar worden gebracht."

Het artikel 'Efficiënte niet-Markoviaanse kwantumdynamica met behulp van time-evolving matrixproductoperators' is gepubliceerd in: Natuurcommunicatie .