Kwantumsimulatie speelt een onvervangbare rol op diverse terreinen, buiten het bereik van klassieke computers. In een recente studie, Keren Li en een interdisciplinair onderzoeksteam van het Center for Quantum Computing, Quantum Science and Engineering en het Department of Physics and Astronomy in China, VS Duitsland en Canada. Experimenteel gesimuleerde spin-netwerktoestanden door kwantumruimtetijd-tetraëders te simuleren op een vier-qubit nucleaire magnetische resonantie (NMR) kwantumsimulator. De experimentele getrouwheid was boven de 95 procent. Het onderzoeksteam gebruikte de kwantumtetraëders bereid door nucleaire magnetische resonantie om een ​​tweedimensionale (2-D) spinfoam vertex (model) amplitude te simuleren, en lokale dynamiek van kwantumruimtetijd weer te geven. Li et al. de geometrische eigenschappen van de overeenkomstige kwantumtetraëders gemeten om hun interacties te simuleren. Het experimentele werk is een eerste poging en een basismodule om het Feynman-diagramhoekpunt in de spinfoam-formulering weer te geven, om lus kwantumzwaartekracht (LQG) te bestuderen met behulp van kwantuminformatieverwerking. De resultaten zijn nu beschikbaar op Communication Physics.

Klassieke computers kunnen grote kwantumsystemen niet bestuderen ondanks succesvolle simulaties van een verscheidenheid aan fysieke systemen. De systematische beperkingen van klassieke computers deden zich voor toen de lineaire groei van de grootte van het kwantumsysteem overeenkwam met de exponentiële groei van de Hilbert-ruimte, een wiskundige basis van de kwantummechanica. Kwantumfysici proberen dit probleem op te lossen door kwantumcomputers te gebruiken die informatie intrinsiek of kwantummechanisch verwerken om exponentieel beter te presteren dan hun klassieke tegenhangers. 1982, Natuurkundige Richard Feynman definieerde kwantumcomputers als kwantumsystemen die kunnen worden bestuurd om het gedrag of de eigenschappen van relatief minder toegankelijke kwantumsystemen na te bootsen of te simuleren.

In het huidige werk, Li et al. gebruikte nucleaire magnetische resonantie (NMR) met een hoge regelbare prestatie op het kwantumsysteem om simulatiemethoden te ontwikkelen. De strategie vergemakkelijkte de presentatie van kwantumgeometrieën van ruimte en ruimtetijd op basis van de analogieën tussen kernspintoestanden in NMR-monsters en spinnetwerktoestanden in kwantumzwaartekracht. Kwantumzwaartekracht heeft tot doel de Einstein-zwaartekracht te verenigen met de kwantummechanica om ons begrip van zwaartekracht uit te breiden naar de Planck-schaal (1,22 x 10 ¹⁹ GeV). Op de Planck-schaal (grootheden van de ruimte, tijd en energie) Einstein-zwaartekracht en het continuüm van ruimtetijdafbraak kunnen worden vervangen via kwantumruimtetijd. Onderzoeksbenaderingen voor het begrijpen van kwantumruimtetijden zijn momenteel geworteld in spinnetwerken (een grafiek van lijnen en knooppunten om de kwantumtoestand van de ruimte op een bepaald moment in de tijd weer te geven), die een belangrijk, niet-perturbatief raamwerk van kwantumzwaartekracht.

1971, natuurkundige Roger Penrose stelde spin-netwerken voor die werden gemotiveerd door de twistor-theorie met daaropvolgende toepassingen om kwantumzwaartekracht (LQG) te lussen. De spinnetwerken waren kwantumtoestanden die fundamenteel discrete kwantumgeometrieën van de ruimte op de Planck-schaal vertegenwoordigen. In de huidige studie, het onderzoeksteam stelde het spinnetwerk voor met behulp van een grafiek met links en knooppunten gekleurd door spinhelften. Bijvoorbeeld, elk knooppunt met randen kwam overeen met een geometrie en daarom kwam een ​​grafiek met vierwaardige knooppunten overeen met de kwantumtetraëdergeometrie.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een "netwerk" met daarin een aantal driedimensionale (3-D) wereldbladen (2-D-oppervlakken) en hun snijpunten. Ze toonden aan dat elk hoekpunt waar de oppervlakken elkaar ontmoetten, leidde tot een kwantumtransitie die het spinnetwerk veranderde om de lokale dynamiek van de kwantumgeometrie weer te geven. Net zoals Feynman-diagrammen (schematische weergaven van wiskundige uitdrukkingen die het gedrag van subatomaire deeltjes beschrijven), kwantumruimtetijden codeerden de overgangsamplitudes en spinfoamamplitudes tussen de initiële en laatste spinnetwerken. De kwantumruimtetijden en spinfoamamplitudes die in het onderzoek zijn ontwikkeld, zorgden voor een consistente en veelbelovende benadering van kwantumzwaartekracht. Li et al. kenmerkte de NMR-simulatie door de mogelijkheid om individuele qubits met hoge precisie te besturen. De kwantumtetraëders en vertexamplitudes dienden als bouwstenen van LQG (loop quantum gravity) om een ​​nieuw venster te openen om LQG op te nemen in kwantumexperimenten.

De wetenschappers hebben eerst vergelijkingen afgeleid om een ​​kwantumtetraëder binnen een spinnetwerk te beschrijven. In een schematisch 3+1-dimensionaal dynamisch kwantumruimtetijdmodel, ze demonstreerden een atoom als een 3-bol die een deel van de kwantumruimtetijd omsluit rond een hoekpunt. Het team modelleerde de grens van de omsloten kwantumruimtetijd precies als een spinnetwerk en toonde de mogelijkheid aan om grote kwantumruimtetijden met veel hoekpunten te simuleren door de atomen kwantum te lijmen. De resulterende structuur leek op de vertexamplitude van kwantumruimtetijd, vergelijkbaar met eerder ontwikkelde Ooguri's topologische roostermodellen in vier dimensies. De onderzoekers lieten LQG zien om kwantumtetraëdergeometrieën te identificeren met de kwantumhoekmomenta. Door de identificatie konden ze kwantumgeometrieën simuleren met kwantumregisters (kwantummechanische analoog van een klassiek processorregister). In het algemeen, een kwantumregister kan wiskundig worden bereikt met behulp van tensorproducten.

Tijdens de experimenten, Li et al. gesimuleerd 10 kwantumtetraëders door de overeenkomstige invariante-tensortoestanden voor te bereiden. Ze labelden deze toestanden met behulp van 10 gekleurde punten op de Bloch-bol (geometrische weergave) en voerden de experimenten uit op een 700 MHz DRX Bruker-spectrometer bij kamertemperatuur. Voor alle experimenten het onderzoeksteam gebruikte het crotonzuurmolecuul met vier ¹³ C-kernen geschikt voor het vier-qubit-systeem. De wetenschappers ontwikkelden het experimentele systeem om kwantumtetraëders voor te bereiden en de lokale dynamiek in drie delen te simuleren.

1. Voor staatsvoorbereiding, eerst initialiseerden ze het hele systeem naar een pseudo-zuivere staat. Ze behaalden een getrouwheid van meer dan 99 procent met behulp van de ruimtelijk gemiddelde methode. Daarna dreven ze het systeem in 10 invariante-tensortoestanden of transformaties, die ze implementeerden met behulp van 10 gevormde pulsen van 20 ms.
2. Volgende, voor geometriemetingen, het team presenteerde de gemeten geometrie-eigenschappen met behulp van een 3D-histogram. De experimentele onzekerheid op dit punt was het gevolg van het NMR-spectrumaanpassingsproces. Het samenvallen tussen experimentele en theoretische simulaties impliceerde dat de invariante tensortoestanden die in de experimenten waren voorbereid, overeenkwamen met de bouwstenen - kwantumtetraëders.
3. Tijdens amplitudesimulatie, de spin-netwerktoestanden dienden als de grensgegevens van 3+1-dimensionale kwantumruimtetijd. De vertex-amplitude gedefinieerd in de studie bepaalde de spinfoam-amplitude en beschreef de lokale dynamiek van kwantumzwaartekracht in 4-D kwantumruimtetijd, om de eigenschappen van deze grensgegevens weer te geven.

Om de hoekpuntamplitudes te verkrijgen, de onderzoekers berekenden de inproducten tussen vijf verschillende kwantumtetraëdertoestanden. Ideaal, de onderzoekers hadden een kwantumcomputer van 20 qubit kunnen gebruiken, het vaststellen van maximaal verstrengelde toestanden van twee qubits tussen twee willekeurige tetraëders. Echter, aangezien een kwantumcomputer van dergelijke afmetingen momenteel verder gaat dan de gecommercialiseerde geavanceerde technologie, de onderzoekers voerden afwisselend volledige tomografie uit van de staatsvoorbereiding om informatie te verkrijgen over kwantumtetraëdertoestanden. Toen de wetenschappers de getrouwheid berekenden tussen de experimentele kwantumtetraëdertoestanden en de theorie, de resultaten waren ruim boven de 95 procent. Met behulp van de kwantumtetraëders, het onderzoeksteam simuleerde de vertex-amplitude. Ze vergeleken de resultaten tussen het experiment en de numerieke simulatie tussen alle vijf tetraëders. Overeenkomstig, zadelpunten van de amplitude in de experimenten deden zich voor waar de vijf interagerende tetraëders een eenvoudige geometrische betekenis vertoonden terwijl ze aan elkaar plakten om een ​​geometrische vier-simplex te vormen.

Op deze manier, Keren Li en collega's gebruikten een kwantumregister in het NMR-systeem om 10 invariante-tensortoestanden te creëren om 10 kwantumtetraëders weer te geven. Ze bereikten een getrouwheid van meer dan 95 procent en maten vervolgens de tweevlakshoeken (twee vlakke vlakken) van het model. Ze overwogen de fouten in het spectrum en de geometrische identificatie om het succes te begrijpen bij het simuleren van kwantumtetraëders in het onderzoek. Het nieuwe onderzoekswerk presenteerde een eerste stap om spin-netwerktoestanden en spinschuimamplitudes te verkennen met behulp van een kwantumsimulator. Het begeleidende werk toonde ook geldige experimenten om LGQ te bestuderen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk