Natuurkundigen hebben een potentieel baanbrekende eigenschap van kwantumbitgedrag ontdekt, waardoor wetenschappers complexe kwantumsystemen kunnen simuleren zonder de noodzaak van enorme rekenkracht.

Al enige tijd, de ontwikkeling van de volgende generatie kwantumcomputers is beperkt door de verwerkingssnelheid van conventionele CPU's. Zelfs 's werelds snelste supercomputers zijn niet krachtig genoeg geweest, en bestaande kwantumcomputers zijn nog te klein, in staat zijn om middelgrote kwantumstructuren te modelleren, zoals kwantumprocessors.

Echter, een team van onderzoekers van de universiteiten van Loughborough en Nottingham en Innopolis heeft nu een manier gevonden om de behoefte aan zulke enorme hoeveelheden stroom te omzeilen door gebruik te maken van het chaotische gedrag van qubits - de kleinste eenheid van digitale informatie.

Bij het modelleren van het gedrag van kwantumbits (qubits) ontdekten ze dat wanneer een externe energiebron, zoals een laser- of microgolfsignaal, werd gebruikt, werd het systeem chaotischer en demonstreerde uiteindelijk het fenomeen dat bekend staat als hyperchaos.

Toen de qubits werden aangeslagen door de stroombron, wisselden ze van toestand, zoals gewone computerbits die verschuiven tussen nul en één, maar op een veel meer onregelmatige en onvoorspelbare manier. Echter, de onderzoekers ontdekten dat de mate van complexiteit (hyperchaos) niet exponentieel toenam naarmate de omvang van het systeem groeide - wat je zou verwachten - maar in plaats daarvan, het bleef evenredig met het aantal eenheden.

In een nieuwe krant "Opkomst en controle van complex gedrag in aangedreven systemen van op elkaar inwerkende qubits met dissipatie, " gepubliceerd in het tijdschrift Nature NPJ Quantum-informatie , het team laat zien dat dit fenomeen een groot potentieel heeft om wetenschappers in staat te stellen grote kwantumsystemen te simuleren.

Een van de corresponderende auteurs, Dr. Alexandre Zagoskin, van Loughborough's School of Science, zei:"Een goede analogie is het ontwerpen van vliegtuigen. Om een ​​vliegtuig te ontwerpen, het is noodzakelijk om bepaalde vergelijkingen van hydro(aero)dynamica op te lossen, die zeer moeilijk op te lossen zijn en pas mogelijk werden na de Tweede Wereldoorlog, toen krachtige computers verschenen. Hoe dan ook, mensen hadden al lang daarvoor vliegtuigen ontworpen en gevlogen. Het was omdat het gedrag van de luchtstroom kon worden gekarakteriseerd door een beperkt aantal parameters, zoals het Reynoldsgetal en het Mach-getal, die kunnen worden bepaald op basis van kleinschalige modelexperimenten. Zonder dit, directe simulatie van een kwantumsysteem in alle details, met behulp van een klassieke computer, wordt onmogelijk als het meer dan een paar duizend qubits bevat. Eigenlijk, er is niet genoeg materie in het heelal om een ​​klassieke computer te bouwen die in staat is om het probleem aan te pakken. Als we verschillende regimes van een 10 kunnen karakteriseren, 000-qubit kwantumcomputer met slechts 10, 000 dergelijke parameters in plaats van 2 ^{10, 000} - dat is ongeveer 2 keer 1 met drieduizend nullen - dat zou een echte doorbraak zijn."

De nieuwe resultaten laten zien dat een kwantumsysteem kwalitatief verschillende patronen van algemeen casusgedrag vertoont, en de overgangen daartussen worden bepaald door een relatief klein aantal parameters.

Als dit in het algemeen geldt, dan kunnen de onderzoekers de kritische waarden van deze parameters bepalen, bijv. schaalmodellen bouwen en testen, en, door een paar metingen van het eigenlijke systeem te doen, om te bepalen of de parameters van onze kwantumprocessor het goed laten werken of niet.

Als bonus, de beheersbare complexiteit in het gedrag van grote kwantumsystemen opent nieuwe mogelijkheden bij de ontwikkeling van nieuwe kwantumcryptografietools.