De regels van de kwantummechanica beschrijven hoe atomen en moleculen heel anders handelen dan de wereld om ons heen. Wetenschappers hebben vooruitgang geboekt bij het ontrafelen van deze regels - essentieel voor het vinden van manieren om nieuwe moleculen en betere technologie te maken - maar sommige zijn zo complex dat ze experimentele verificatie ontwijken.

Met de komst van open-access kwantumcomputers, wetenschappers van de Universiteit van Chicago zagen een kans om een ​​zeer ongebruikelijk experiment te doen om enkele van deze kwantumprincipes te testen. hun studie, die verscheen op 31 januari in Natuur Communicatie Natuurkunde , kaapt in wezen een kwantumcomputer om fundamentele waarheden te ontdekken over het kwantumgedrag van elektronen in moleculen.

"Quantum computing is een heel opwindend domein om fundamentele vragen te onderzoeken. Het stelt ons in staat om aspecten van de kwantumtheorie te observeren die absoluut onaantastbaar zijn met klassieke computers, " zei prof. David Mazziotti, hoogleraar scheikunde en auteur op het papier.

Een bepaalde regel van de kwantummechanica, het Pauli-uitsluitingsprincipe genoemd, is dat twee elektronen niet tegelijkertijd dezelfde positie in de ruimte kunnen innemen. Vaak, de elektronen van een molecuul ervaren extra beperkingen op hun locaties; deze staan ​​bekend als de gegeneraliseerde Pauli-beperkingen. "Deze regels informeren over de manier waarop alle moleculen en materie zich vormen, ' zei Mazziotti.

In dit onderzoek, Mazziotti, Prof. David Shuster en afgestudeerde student Scott Smart creëerden een reeks algoritmen die IBM's Q Experience-computer zouden vragen om willekeurig kwantumtoestanden te genereren in systemen met drie elektronen, en meet dan waar de elektronen zich het meest waarschijnlijk bevinden.

"Stel dat de algemene Pauli-beperkingen niet waar waren:in dat scenario, ongeveer de helft van de kwantumtoestanden zou een schending vertonen, " zei Slim, de eerste auteur op het papier. In plaats daarvan, in de vele gevormde kwantumtoestanden, ze ontdekten dat schendingen van gegeneraliseerde Pauli-beperkingen zeer zelden voorkwamen in een patroon dat consistent was met ruis in het kwantumcircuit.

De resultaten bieden sterke experimentele verificatie, zeiden de wetenschappers.

"De eenvoudigste algemene Pauli-beperkingen werden in de vroege jaren zeventig theoretisch ontdekt op een klassieke computer bij IBM, dus het is passend dat ze voor het eerst experimenteel worden geverifieerd op een IBM-kwantumcomputer, ' zei Mazziotti.

De ontdekking is een nieuwe doorbraak op de grens van kwantuminspanningen aan de universiteit; recente inspanningen omvatten een drie-laboratorium kwantum "teleporter, " stappen in de richting van krachtigere kwantumsensoren, en een samenwerking om algoritmen te ontwikkelen voor opkomende kwantumcomputers.

Een open vraag is hoe de algemene Pauli-beperkingen nuttig kunnen zijn voor het verbeteren van de kwantumtechnologie. "Ze zullen mogelijk bijdragen aan het bereiken van efficiëntere kwantumberekeningen en betere foutcorrectieschema's - van cruciaal belang voor kwantumcomputers om hun volledige potentieel te bereiken, ' zei Mazziotti.