Een lokalisatiefenomeen verhoogt de nauwkeurigheid van het oplossen van kwantum veeldeeltjesproblemen met kwantumcomputers. Deze problemen zijn verder een uitdaging voor conventionele computers. Dit brengt een dergelijke digitale kwantumsimulatie binnen handbereik met behulp van tegenwoordig beschikbare kwantumapparaten.

Quantumcomputers beloven bepaalde rekenproblemen exponentieel sneller op te lossen dan welke klassieke machine dan ook. "Een bijzonder veelbelovende toepassing is de oplossing van kwantum veel-lichaamsproblemen door gebruik te maken van het concept van digitale kwantumsimulatie, " zegt Markus Heyl van het Max Planck Instituut voor de Fysica van Complex in Dresden, Duitsland. "Dergelijke simulaties kunnen een grote impact hebben op de kwantumchemie, materiaalwetenschap en fundamentele fysica."

Binnen digitale kwantumsimulatie, de tijdsevolutie van het beoogde kwantumveellichamensysteem wordt gerealiseerd door een opeenvolging van elementaire kwantumpoorten door de tijdevolutie te discretiseren, een proces genaamd Trotterization. "Een fundamentele uitdaging, echter, is de controle van een intrinsieke foutbron, die verschijnt als gevolg van deze discretisatie, ’ zegt Markus Heyl.

Samen met internationale collega's, ze toonden in een recente wetenschappelijke vooruitgang artikel dat kwantumlokalisatie door het beperken van de tijdsevolutie door kwantuminterferentie deze fouten sterk begrenst voor lokale waarneembare zaken.

Robuuster dan verwacht

"Digitale kwantumsimulatie is dus intrinsiek veel robuuster dan wat men zou verwachten van bekende foutgrenzen op de wereldwijde golffunctie met veel lichamen, "zegt Heyl. Deze robuustheid wordt gekenmerkt door een scherpe drempel als functie van de gebruikte tijdgranulariteit gemeten door de zogenaamde Trotter-stapgrootte. De drempel scheidt een regelmatig gebied met controleerbare Trotter-fouten, waarbij het systeem lokalisatie vertoont in de ruimte van eigentoestanden van de tijdevolutie-operator, van een kwantumchaotisch regime waar fouten zich snel ophopen waardoor de uitkomst van de kwantumsimulatie onbruikbaar wordt.

"Onze bevindingen tonen aan dat digitale kwantumsimulatie met relatief grote Trotter-stappen gecontroleerde Trotter-fouten kan behouden voor lokale waarneembare, ", zegt Markus Heyl. "Het is dus mogelijk om het aantal kwantumpoortbewerkingen dat nodig is om de gewenste tijdsevolutie getrouw weer te geven, te verminderen, waardoor de effecten van imperfecte individuele poortoperaties worden verzacht." Dit brengt digitale kwantumsimulatie voor klassiek uitdagende kwantum veel-deeltjesproblemen binnen handbereik voor hedendaagse kwantumapparaten.