Met een kwantumcoprocessor in de cloud, natuurkundigen uit Innsbruck, Oostenrijk, de deur openen naar de simulatie van voorheen onoplosbare problemen in de chemie, materiaalonderzoek of hoge-energiefysica. De onderzoeksgroepen onder leiding van Rainer Blatt en Peter Zoller rapporteren in het tijdschrift Natuur hoe ze deeltjesfysica-verschijnselen simuleerden op 20 kwantumbits en hoe de kwantumsimulator het resultaat voor het eerst zelf controleerde.

Veel wetenschappers onderzoeken momenteel hoe kwantumvoordeel kan worden benut op hardware die vandaag al beschikbaar is. Drie jaar geleden, natuurkundigen simuleerden eerst de spontane vorming van een paar elementaire deeltjes met een digitale kwantumcomputer aan de Universiteit van Innsbruck. Door het foutenpercentage echter, complexere simulaties zouden een groot aantal kwantumbits vereisen die nog niet beschikbaar zijn in de huidige kwantumcomputers. Ook de analoge simulatie van kwantumsystemen in een kwantumcomputer kent nauwe grenzen. Door een nieuwe methode te gebruiken, onderzoekers rond Christian Kokail, Christine Maier en Rick van Bijnen van het Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen hebben deze limieten nu overschreden. Ze gebruiken een programmeerbare kwantumcomputer met 20 kwantumbits als kwantumcoprocessor, waarbij kwantummechanische berekeningen die de grenzen van klassieke computers bereiken worden uitbesteed. "We gebruiken de beste eigenschappen van beide technologieën, " legt experimenteel fysicus Christine Maier uit. "De kwantumsimulator neemt de rekenkundig complexe kwantumproblemen over en de klassieke computer lost de resterende taken op."

Gereedschapskist voor Quantum Modelers

De wetenschappers gebruiken de variatiemethode die bekend is uit de theoretische natuurkunde, maar pas het toe op hun kwantumexperiment. "Het voordeel van deze methode ligt in het feit dat we de kwantumsimulator kunnen gebruiken als een kwantumbron die onafhankelijk is van het probleem dat wordt onderzocht, " legt Rick van Bijnen uit. "Op deze manier kunnen we veel complexere problemen simuleren." Een simpele vergelijking maakt het verschil duidelijk:een analoge kwantumsimulator is als een poppenhuis, het vertegenwoordigt de werkelijkheid. De programmeerbare variabele kwantumsimulator, anderzijds, biedt individuele bouwstenen waarmee veel verschillende huizen kunnen worden gebouwd. In kwantumsimulatoren, deze bouwstenen zijn verstrengelingspoorten en enkele spinrotaties. Met een klassieke computer deze set knoppen wordt afgestemd totdat de beoogde kwantumtoestand is bereikt. Hiervoor hebben de natuurkundigen een geavanceerd optimalisatie-algoritme ontwikkeld dat in ongeveer 100, 000 verzoeken van de kwantumcoprocessor door de klassieke computer leiden tot het resultaat. In combinatie met extreem snelle meetcycli van het kwantumexperiment, de simulator bij IQOQI Innsbruck wordt enorm krachtig. Voor de eerste keer, de natuurkundigen hebben de spontane creatie en vernietiging van paren elementaire deeltjes in een vacuüm op 20 kwantumbits gesimuleerd. Omdat de nieuwe methode zeer efficiënt is, het kan ook worden gebruikt op nog grotere kwantumsimulators. De onderzoekers van Innsbruck zijn van plan om in de nabije toekomst een kwantumsimulator te bouwen met maximaal 50 ionen. Dit opent interessante perspectieven voor verder onderzoek van vastestofmodellen en hoge-energiefysica-problemen.

Ingebouwde zelfcontrole

Een eerder onopgelost probleem bij complexe kwantumsimulaties is de verificatie van de simulatieresultaten. “Zulke berekeningen zijn niet of nauwelijks te controleren met klassieke computers. Dus hoe controleren we of het kwantumsysteem het juiste resultaat oplevert, " vraagt ​​de theoretisch fysicus Christian Kokail. "We hebben deze vraag voor het eerst opgelost door aanvullende metingen in het kwantumsysteem te doen. Op basis van de resultaten, de kwantummachine beoordeelt de kwaliteit van de simulatie, " legt Kokail uit. Een dergelijk verificatiemechanisme is de voorwaarde voor nog complexere kwantumsimulaties, omdat het benodigde aantal quantumbits sterk toeneemt. "We kunnen de simulatie nog steeds testen op 20 kwantumbits op een klassieke computer, maar met complexere simulaties is dit gewoon niet meer mogelijk, ", zegt Rick van Bijnen. "In onze studie, het kwantumexperiment was zelfs sneller dan de controlesimulatie op de pc. Uiteindelijk, we moesten het uit de race halen om het experiment niet te vertragen, ' zegt de fysicus.