Een gezamenlijke onderzoeksgroep onder leiding van prof. Jens Eisert van de Freie Universität Berlin en Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) heeft een manier laten zien om de kwantumfysische eigenschappen van complexe vastestofsystemen te simuleren. Dit gebeurt met behulp van complexe solid state-systemen die experimenteel kunnen worden bestudeerd. De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Het echte doel is een robuuste kwantumcomputer die stabiele resultaten genereert, zelfs als er fouten optreden en deze fouten corrigeert, " legt Jens Eisert uit, professor aan de Freie Universität Berlin en hoofd van een gezamenlijke onderzoeksgroep bij de HZB. Tot dusver, de ontwikkeling van robuuste kwantumcomputers is nog ver weg, omdat quantumbits extreem gevoelig reageren op de kleinste fluctuaties in omgevingsparameters.

Maar nu zou een nieuwe aanpak succes kunnen beloven:twee postdocs uit de groep rond Jens Eisert, Maria Laura Baez en Marek Gluza hebben een idee van Richard Feynman overgenomen, een briljante Amerikaanse natuurkundige uit de naoorlogse periode. Feynman had voorgesteld om echte systemen van atomen met hun kwantumfysische eigenschappen te gebruiken om andere kwantumsystemen te simuleren. Deze kwantumsystemen kunnen bestaan ​​uit atomen die aan elkaar zijn geregen als parels in een touwtje met speciale spin-eigenschappen, maar het kunnen ook ionenvallen zijn, Rydberg-atomen, supergeleidende Qbits of atomen in optische roosters. Wat ze gemeen hebben, is dat ze in het laboratorium kunnen worden gemaakt en gecontroleerd. Hun kwantumfysische eigenschappen kunnen worden gebruikt om het gedrag van andere kwantumsystemen te voorspellen. Maar welke kwantumsystemen zouden goede kandidaten zijn? Is er een manier om dit van tevoren te weten te komen?

Eiserts team heeft deze vraag nu onderzocht met een combinatie van wiskundige en numerieke methoden. In feite, de groep toonde aan dat de zogenaamde dynamische structuurfactor van dergelijke systemen een mogelijk hulpmiddel is om uitspraken te doen over andere kwantumsystemen. Deze factor brengt indirect in kaart hoe spins of andere kwantumgrootheden zich in de loop van de tijd gedragen, het wordt berekend door een Fourier-transformatie.

"Dit werk slaat een brug tussen twee werelden, " legt Jens Eisert uit. "Aan de ene kant, er is de gecondenseerde materie, die kwantumsystemen bestudeert en daaruit nieuwe inzichten haalt - en aan de andere kant is er Quantum Informatics - die zich bezighoudt met kwantuminformatie. Wij geloven dat grote vooruitgang mogelijk zal zijn als we de twee werelden samenbrengen, ’ zegt de wetenschapper.