Bij het oplossen van kwantumfysische problemen in veellichamensystemen, zoals het voorspellen van materiaaleigenschappen, conventionele computers bereiken snel de grenzen van hun capaciteit. Digitale kwantumsimulators kunnen helpen, maar tot nu toe zijn ze drastisch beperkt tot kleine systemen met weinig deeltjes en slechts korte simulatietijden. Nutsvoorzieningen, De fysicus Dr. Philipp Hauke ​​van de Universiteit van Heidelberg en collega's uit Dresden en Innsbruck (Oostenrijk) hebben aangetoond dat dergelijke simulaties robuuster en dus veel stabieler kunnen zijn dan eerder werd aangenomen. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

In de kwantumfysica, veellichamentheorie beschrijft een groot aantal interagerende deeltjes. In de toestand van thermodynamisch evenwicht, het veellichamensysteem kan worden beschreven door slechts een handvol waarden zoals temperatuur of druk, die grotendeels homogeen zijn voor het hele systeem. Maar wat er in de loop van de tijd gebeurt na een grote verstoring, zoals wanneer energie abrupt wordt afgezet in een materiaalmonster door korte laserpulsen? Het nauwkeurig berekenen van de zogenaamde niet-evenwichtsdynamiek van interagerende veellichamensystemen is een veelbesproken probleem in de kwantumfysica.

Berekeningen met conventionele computers vereisen middelen die exponentieel toenemen met het aantal samenstellende kwantumdeeltjes. "Dus computationeel exacte methoden mislukken met slechts enkele tientallen deeltjes. Dat is veel minder dan het aantal dat nodig is om materiaaleigenschappen te voorspellen, bijvoorbeeld. In dergelijke gevallen, wetenschappers vertrouwen op benaderingsmethoden die vaak ongecontroleerd zijn, vooral als het gaat om dynamische eigenschappen, " legt Dr. Hauke ​​uit, een onderzoeker aan het Kirchhoff Institute for Physics en het Institute for Theoretical Physics van de Universiteit van Heidelberg. Digitale kwantumsimulatie biedt een mogelijke oplossing. De niet-evenwichtsdynamiek wordt bestudeerd met simulatoren die zelf worden beheerst door kwantummechanische wetten.

Om de tijdsevolutie in een kwantumcomputer weer te geven, moet deze worden gediscretiseerd in afzonderlijke bewerkingen. Maar deze benadering - ook bekend als Trotterization - genereert onvermijdelijk een fout die inherent is aan de simulatie zelf. Deze Trotter-fout kan worden verzacht door voldoende fijne discretisaties. Er moeten extreem kleine discretisatiestappen worden gekozen, echter, om op betrouwbare wijze een evolutie over een langere tijd weer te geven. Tot nu, onderzoek heeft aangetoond dat de fout snel groeit over lange tijdsperioden en met een groter aantal deeltjes - wat voor alle praktische doeleinden digitale kwantumsimulatie drastisch beperkt tot kleine systemen en korte tijden.

Met behulp van numerieke demonstraties en analytische argumenten, de onderzoekers hebben nu aangetoond dat kwantumsimulatie veel "robuuster" en dus stabieler is dan eerder werd aangenomen, zolang alleen waarden die in de praktijk relevant zijn, zoals gemiddelden over het hele systeem, worden beschouwd en niet de volledige toestand van elk afzonderlijk deeltje. Voor dergelijke waarden er is een scherpe drempel tussen een regio met controleerbare fouten en een simulatie die geen bruikbaar resultaat meer kan opleveren. Onder deze drempel de Trotter-fout heeft slechts een beperkte impact - in feite voor alle tijdsperioden die praktisch kunnen worden gesimuleerd en grotendeels onafhankelijk van het aantal samenstellende deeltjes.

Tegelijkertijd, het onderzoek toonde aan dat digitale kwantumsimulatie verbazingwekkend nauwkeurige resultaten kan opleveren met onverwacht grote Trotter-stappen. "Een simulatie die het gedrag van veel kwantumdeeltjes over een langere tijd kan voorspellen, wordt daarom steeds waarschijnlijker. Dit opent de deur verder voor praktische toepassingen, variërend van materiaalkunde en kwantumchemie tot vraagstukken in de fundamentele natuurkunde, " zegt Dr. Hauke, die aan het hoofd staat van de onderzoeksgroep "Kwantumoptica en kwantum veellichamentheorie".