Een krachtige nieuwe vorm van computergebruik kan wetenschappers helpen bij het ontwerpen van nieuwe soorten materialen voor nano-elektronica, luchtvaartmaatschappijen in staat stellen complexe logistieke problemen op te lossen om ervoor te zorgen dat vluchten op tijd verlopen, en files aanpakken om auto's vrijer op drukke wegen te laten rijden.

Terwijl moderne digitale computers in staat zijn tot indrukwekkende rekenprestaties, er zijn enkele problemen waar zelfs de meest geavanceerde supercomputers mee worstelen. Maar onderzoekers geloven dat nieuwe computers die gebruikmaken van de kracht van de kwantummechanica, die het vreemde gedrag van microscopisch kleine deeltjes zoals bosonen, fermionen, en iedereen zou deze problemen in een kwestie van seconden kunnen aanpakken.

Het bouwen van kwantumcomputers voor algemene doeleinden is buitengewoon moeilijk gebleken en momenteel slechts een handvol dure machines is in ontwikkeling.

Sommige wetenschappers kiezen in plaats daarvan voor een andere benadering door computersystemen te bouwen die bekend staan ​​als analoge kwantumsimulators in een poging een snelkoppeling te vinden naar enkele van de antwoorden die kwantumcomputers beloven te bieden.

Deze simulatoren zijn ontworpen om specifieke eigenschappen van de kwantumfysica te onderzoeken door te modelleren hoe de kleinste deeltjes in het universum zich zouden kunnen gedragen. Dit kan op zijn beurt worden toegepast om complexe problemen in de rest van de wereld op te lossen die momenteel onmogelijk zijn op te lossen of een heel leven kunnen kosten om dit te doen met behulp van klassieke computers.

'De analogie die ik erg leuk vind, is dat analoge kwantumsimulators een beetje op een windtunnel lijken, ' zei professor Andrew Daley, een natuurkundige aan de Strathclyde University, VK, en lid van het PASQuanS-project. 'Een paar decennia geleden was het onmogelijk om de luchtstroom op een computer te simuleren, dus in plaats daarvan zou je een schaalmodel bouwen en dat in een windtunnel zetten.

'Maar met analoge kwantumsimulatie, de schaal gaat de andere kant op - in plaats van een kleinere versie te maken, je maakt een grotere. Dit maakt het beter beheersbaar en zo is het gemakkelijker om de details te leren van hoe iets zou kunnen werken.'

Opgeschaald

Het samenbrengen van een team van onderzoekers uit heel Europa, het project probeert enkele van de krachtigste analoge kwantumsimulators tot nu toe te bouwen met atomen en ionen als hun opgeschaalde modellen van subatomaire deeltjes.

Bijvoorbeeld, ultrakoude atomen, die zijn afgekoeld tot slechts enkele graden boven het absolute nulpunt, kan worden opgehangen in een rooster gevormd door laserlicht om te simuleren hoe elektronen in een kristal zouden kunnen bewegen. Tot dusver, state-of-the-art kwantumsimulators gebruiken ongeveer 100 ultrakoude atomen of tot 20 ionen in hun modellen, maar het team hoopt hun systemen een boost te geven tot meer dan 1. 000 atomen en tot 50 ionen.

Dit zou de kracht van deze simulatoren veel verder kunnen brengen dan wat mogelijk is met klassieke berekeningen in een veel kortere tijdschaal dan mogelijk zou zijn door een algemene kwantumcomputer te bouwen. zegt prof. Daley.

Een belangrijke uitdaging is om de simulatoren beter bestuurbaar en programmeerbaar te maken. De bij het project betrokken onderzoekers ontwikkelen nieuwe technieken om de atomen te beheersen, zoals het vangen met een laserpincet, geselecteerde atomen opwinden in hoge energietoestanden of ze verplaatsen zodat ze op verschillende manieren op elkaar inwerken.

'Het programmeerbare deel gaat erom deze systemen zeer beheersbaar te maken, op een goed gekalibreerde manier, op het niveau van individuele roostersites, individuele ionen of individuele atomen, ' zei prof. Daley.

Hoewel deze simulatoren fysici kunnen helpen bij het oplossen van lastige vragen over het gedrag van deeltjes in kwantumsystemen, ze kunnen ook worden gebruikt om grotere problemen in de echte wereld aan te pakken, te.

Quantum annealing algoritmen, bijvoorbeeld, gebruik maken van een eigenaardigheid van de kwantumfysica waarbij subatomaire deeltjes, atomen en grotere moleculen kunnen de weg van de minste weerstand vinden bij het veranderen van energietoestanden. Dit kan worden vergeleken met proberen een bal een heuvel op te rollen om een ​​diepere vallei aan de andere kant te bereiken - als de bal niet genoeg duw krijgt, het zal niet de energie hebben om de top van de heuvel te bereiken en zal gewoon achteruit rollen. Kwantumdeeltjes, ter vergelijking, kunnen de energiepieken die ze moeten overwinnen omzeilen door er eenvoudig doorheen te tunnelen.

Optimaliseren

Dit vermogen om gemakkelijker lage-energietoestanden te vinden, betekent dat kwantumgloeien kan worden gebruikt om manieren te vinden om gecompliceerde verkeersnetwerken of ingewikkelde logistieke ketens te optimaliseren.

'We kunnen een probleem ergens anders vandaan halen en het in kaart brengen op de interactie tussen de atomen of ionen, ' zei prof. Daley. 'Dan kunnen we vragen gaan stellen om de laagst mogelijke energieconfiguratie te vinden.'

Grote bedrijven zoals Airbus, Totaal, Bosch, Electricité de France (EDF) en Siemens hebben al interesse getoond om deze aanpak te verkennen. Onderzoekers van de bedrijven werken met het project samen in een poging mogelijke toepassingen te vinden die kunnen worden toegepast op hun commerciële activiteiten.

In vliegtuigen, bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om ervoor te zorgen dat vliegtuigen en vliegtuigpersoneel op de juiste plaats zijn om vluchten soepel te laten verlopen.

Het kan ook worden gebruikt om snel een model te maken van de beste manier om verkeer op drukke wegen om te leiden om congestie te voorkomen en vervuiling te verminderen.

'We hebben een eindgebruikersforum opgezet om specifieke ideeën te krijgen over het soort problemen dat kan worden geïmplementeerd op analoge kwantumsimulatieplatforms, ' zei prof. Daley. 'Dit zijn grote problemen die vooral interessant zijn voor de industrie en die we dan zouden kunnen nabootsen op onze systemen.'

De kracht van kwantumsimulatoren gaat verder dan het vinden van manieren om processen te optimaliseren. Prof. Daley en zijn collega's zeggen dat een van de eerste toepassingen van hun kwantumsimulators zal zijn om te helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen, ook voor nano-elektronica en supergeleiders.

Dit is iets dat het Qombs-project ook nastreeft door een analoge kwantumsimulatie te creëren om een ​​nieuwe generatie materiaal te ontwikkelen die zeer afstembare infraroodlasers kan produceren. De golflengte - of kleur - van moderne lasers wordt bepaald door de elementen in de diode die worden gebruikt om het licht te genereren.

Maar door kristallen te kweken die verschillende concentraties metalen bevatten, zoals aluminium, gallium en arseen in lagen, de onderzoekers achter het project willen halfgeleidermaterialen maken die laserlicht kunnen produceren op golflengten die anders onmogelijk zouden zijn. Deze apparaten staan ​​bekend als kwantumcascadelasers.

Lasers

'We gebruiken kwantumsimulaties om nieuwe functies te optimaliseren en te verkrijgen die de prestaties verbeteren die tegenwoordig mogelijk zijn met kwantumcascadelasers, ' zei Dr. Francesco Cappelli, een onderzoeker aan het National Institute of Optics in Florence, Italië, en een lid van het Qombs-team.

Door te simuleren hoe de elektronen en fotonen zich zouden kunnen gedragen in verschillende structuren en concentraties van metalen, het team hoopt de golflengte van het licht dat door de apparaten wordt geproduceerd, beter te kunnen controleren.

Indien succesvol, het zou kunnen leiden tot apparaten die licht kunnen produceren met extreem lange golflengten die zich uitstrekken tot in het midden en ver infrarood, iets wat momenteel niet haalbaar is.

'Deze kunnen worden gebruikt in de communicatie, aangezien het licht bij deze golflengten niet wordt geabsorbeerd door de gassen in de atmosfeer, ' zei dr. Cappelli. 'Niet alleen is de sfeer transparant, maar ook verstrooiing door vocht en stof wordt verminderd in vergelijking met zichtbare lasers.'

Door de lasers af te stemmen op specifieke golflengten, kunnen ze ook worden gebruikt in sensoren om specifieke gassen te detecteren, zoals verontreinigende stoffen of andere schadelijke stoffen.

Een kwantumcascadelaser die is afgestemd om licht uit te zenden met de exacte golflengte die wordt geabsorbeerd door stikstofdioxide, bijvoorbeeld, zou kunnen worden gebruikt om de niveaus van het gas in stedelijke gebieden nauwkeurig te meten.

'Het ontwerpen van halfgeleiderkristallen met dit soort eigenschappen zou nooit mogelijk zijn op klassieke computers, ' zei dokter Capelli.

De kracht van kwantumcomputers

Bij traditionele computers informatie is vervat in binaire cijfers, of stukjes, die een enkele waarde van 1 of 0 bevatten.

In kwantumsystemen, subatomaire deeltjes kunnen niet alleen in binaire 1- of 0-toestanden bestaan, maar ze bevatten meerdere combinaties van 1 en 0 tegelijkertijd om een ​​"qubit" te vormen. Omdat een qubit 1 kan zijn, 0, of 1 en 0 allemaal tegelijk, hierdoor kunnen veel meer berekeningen tegelijk worden uitgevoerd.

Nog vreemder, paren qubits kunnen ook verstrengeld raken, zodat wanneer de toestand van één wordt gewijzigd, de ander verandert onmiddellijk mee, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar verwijderd zijn. Dit mysterieuze fenomeen vergroot exponentieel het rekenvermogen van een kwantummachine.