"Bedenk wat we kunnen doen als we een kwantumcomputer leren om statistische mechanica te doen, " poseerde Michael McGuigan, een computationele wetenschapper met het Computational Science Initiative van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Destijds, McGuigan dacht na over Ludwig Boltzmann en hoe de beroemde natuurkundige zijn theorieën over statistische mechanica krachtig moest verdedigen. Boltzmann, die aan het eind van de 19e eeuw zijn ideeën presenteerde over hoe atomaire eigenschappen de fysieke eigenschappen van materie bepalen, had één buitengewoon grote hindernis:het bestaan ​​van atomen was destijds niet eens bewezen. Vermoeidheid en ontmoediging als gevolg van het feit dat zijn collega's zijn opvattingen over atomen en natuurkunde niet accepteerden, achtervolgden Boltzmann voor altijd.

Vandaag, de factor van Boltzmann, die de kans berekent dat een systeem van deeltjes kan worden gevonden in een specifieke energietoestand ten opzichte van nul energie, wordt veel gebruikt in de natuurkunde. Bijvoorbeeld, De factor van Boltzmann wordt gebruikt om berekeningen uit te voeren op 's werelds grootste supercomputers om het gedrag van atomen te bestuderen, moleculen, en de quark-"soep" die werd ontdekt met behulp van faciliteiten zoals de Relativistic Heavy Ion Collider in Brookhaven Lab en de Large Hadron Collider bij CERN.

Hoewel er een ommezwaai voor nodig was om te laten zien dat Boltzmann gelijk had, computerwetenschappers staan ​​nu aan de vooravond van een nieuwe computergolf, de sprong maken van supercomputers en bytes naar kwantumsystemen en kwantumbits (of "qubits"). Deze kwantumcomputers hebben het potentieel om enkele van de meest mysterieuze concepten in de natuurkunde te ontgrendelen. En, vreemd, deze zogenaamde mysteries zullen voor velen misschien een beetje bekend voorkomen.

Tijd en temperatuur gebracht door...

Hoewel de meeste mensen goed bekend zijn met de begrippen tijd en temperatuur en ze meerdere keren per dag controleren, het blijkt dat deze basisconcepten raadselachtig blijven in de natuurkunde.

De factor van Boltzmann helpt bij het modelleren van temperatuureffecten die kunnen worden gebruikt om atomair gedrag en fysische eigenschappen te voorspellen en te beheersen, en ze werken prima op klassieke computers. Echter, op een kwantumcomputer, de kwantumlogische poorten die bij de berekening worden gebruikt (vergelijkbaar met logische poorten in digitale circuits) worden weergegeven door complexe getallen, in tegenstelling tot de factor van Boltzmann, die per definitie is echt.

Dit probleem bood McGuigan en zijn student/co-auteur Raffaele Miceli een interessant probleem om aan te pakken met behulp van een quantum computing-testbed dat werd geleverd door Brookhaven Lab's toegangsovereenkomst tot IBM's universele quantum computing-systemen, via de IBM Q Hub in het Oak Ridge National Laboratory. De samenwerking geeft Brookhaven (onder andere in netwerk) toegang tot IBM's commerciële kwantumsystemen, inclusief 20- en 53-qubit-systemen voor experimenten.

"Op een kwantumcomputer, er is een andere manier om de eindige temperatuur te simuleren, de zogenaamde thermovelddynamica, die grootheden kan berekenen die zowel tijd- als temperatuurafhankelijk zijn, " legde McGuigan uit. "In dit formalisme, je construeert een dubbel van het systeem, genaamd de thermo dubbel, ga dan verder met de berekening op een kwantumcomputer, aangezien de berekening kan worden weergegeven in termen van kwantumlogische poorten met complexe getallen.

"Uiteindelijk, je kunt de dubbele toestanden optellen en een effectieve Boltzmann-factor genereren voor berekeningen bij eindige temperatuur, " vervolgde hij. "Er zijn ook bepaalde voordelen van het formalisme. Bijvoorbeeld, je kunt de effecten van eindige temperatuur bestuderen en hoe het systeem in realtime evolueert naarmate tijd en temperatuur worden gescheiden met behulp van dit kwantumalgoritme. Een nadeel is dat het twee keer zoveel qubits vereist als een nultemperatuurberekening om de dubbele toestanden te verwerken."

Miceli en McGuigan demonstreerden hoe het kwantumalgoritme voor thermovelddynamica voor eindige temperatuur kan worden geïmplementeerd op een eenvoudig systeem met een paar deeltjes en vonden perfecte overeenstemming met de klassieke berekening.

Hun werk maakte gebruik van bronnen uit zowel klassieke als kwantumcomputers. Volgens McGuigan, ze gebruikten Qiskit open-source quantum computing-software waarmee ze hun algoritme in de cloud konden maken. Qiskit transpileerde die code vervolgens naar pulsen die in realtime communiceren met een kwantumcomputer (in dit geval een IBM Q-apparaat). Optimizers die klassieke algoritmen uitvoeren, maken het heen en weer gaan tussen de traditionele en kwantumsystemen mogelijk.

"Ons experiment laat zien dat kwantumsystemen het voordeel hebben om realtime berekeningen exact weer te geven in plaats van te roteren van denkbeeldige tijd naar realtime om een ​​resultaat te vinden. " legde McGuigan uit. "Het biedt een getrouwer beeld van hoe een systeem evolueert. We kunnen het probleem in kaart brengen in een kwantumsimulatie die het laat evolueren."

In de kosmos

Kwantumkosmologie is een ander gebied waarop McGuigan verwacht dat nieuwe kwantumcomputeropties een grote impact zullen hebben. Ondanks de vele vorderingen in het begrijpen van het universum die mogelijk zijn gemaakt door moderne supercomputers, sommige fysieke systemen blijven buiten hun bereik. De wiskundige complexiteit, die meestal rekening houdt met de volledige kwantumzwaartekrachttheorie, is gewoon te groot om exacte oplossingen te verkrijgen. Echter, een echte kwantumcomputer, compleet met de mogelijkheid om verstrengeling en superpositie te benutten, de mogelijkheden voor nieuwe, preciezere algoritmen.

"Kwantumsystemen kunnen padintegralen in realtime realiseren, ons toegang geven tot grootschalige simulaties van het heelal, "Zei McGuigan. "Je kunt de berekende golffunctie van het universum visualiseren terwijl het naar voren evolueert zonder eerst een volledige theorie van kwantumzwaartekracht te formuleren."

Opnieuw, met behulp van het Qiskit-pakket en toegang tot IBM Q-hardware, McGuigan en zijn medewerker Charles Kocher, een student aan de Brown University, een mix van klassieke computationele methoden en VQE gebruikt om gevarieerde experimenten uit te voeren, waaronder een die systemen onderzocht met zwaartekracht gekoppeld aan een bosonveld dat een inflaton wordt genoemd, een hypothetisch deeltje dat een belangrijke rol speelt in de moderne kosmologie. Hun werk toonde aan dat de hybride VQE golffuncties opleverde die consistent waren met de Wheeler-Dewitt-vergelijking, die wiskundig kwantummechanica combineert met de relativiteitstheorie van Albert Einstein.

Inspiratie op steeds grotere schaal

Terwijl vroege kwantumexperimenten leiden tot verschillende perspectieven van de basis achter de natuurkunde, Quantum computing zal naar verwachting een belangrijke bijdrage leveren aan het oplossen van langdurige problemen die van invloed zijn op de missies van DOE. Onder hen, het kan een hulpmiddel zijn om nieuwe materialen te onthullen, het oplossen van energie-uitdagingen, of toevoegen aan fundamentele inzichten (zoals tijd en temperatuur) in hoge-energiefysica en kosmologie. Beurtelings, deze veranderingen zouden kunnen overgaan in gemakkelijker herkenbare gebieden.

Bijvoorbeeld, medicijnontwikkelaars hebben meer gerealiseerde kwantummechanica nodig om de structuur van moleculen te begrijpen. Kwantumcomputers kunnen ontdekkingen mogelijk maken door simulaties van de volledige kwantummechanica te bieden die een echt praktisch gezichtspunt zouden bieden.

"Er lijkt altijd interesse te zijn in de basis achter de natuurkunde, "Zei McGuigan. "Het is al millennia van belang voor het publiek. Direct, de combinatie van theoretische expertise en actuele technologie convergeert met quantum computing. Nog, het is nog steeds een zeer menselijke onderneming."

Voor nu, het gebruik van kwantumcomputers op korte termijn om kleine thermoveldproblemen op te lossen of om een ​​nieuwe kijk op een oud universum te werpen, inspireert onderzoekers om hun algoritmen op te schalen terwijl ze grotere dingen in de wetenschap doen.

"We worden aangemoedigd om verschillende dingen te doen. We doen allemaal, "Zei McGuigan. "Andere groepen over de hele wereld, zoals het Perimeter Institute in Canada en de Universiteit van Amsterdam in Nederland, breiden het thermoveld dubbele kwantumalgoritme al uit naar nog grotere systemen. Met de opkomst van grote kwantumcomputers op korte termijn van 50-100 qubits, het doel is om eindige temperatuursimulaties uit te voeren op realistische systemen met veel deeltjes. Het is opwindend om een ​​echte kwantumcomputer te hebben om deze ideeën en problemen te testen waar we ooit geen oplossingen voor hadden. Kwantummechanica zonder compromissen - dat is waar het bij wetenschap om draait."