Een onderzoek onder leiding van onderzoekers van de North Carolina State University ontwikkelde een nieuwe methode waarmee kwantumcomputers de thermodynamische eigenschappen van systemen kunnen meten door de nullen van de partitiefunctie te berekenen.

"We hebben een nieuwe manier geïllustreerd om thermodynamische eigenschappen van een systeem te achterhalen, zoals gratis energie, entropie, en andere eigenschappen die te complex zijn om momenteel te meten via traditionele of kwantumcomputers, " zegt Lex Kemper, universitair hoofddocent natuurkunde bij NC State en corresponderende auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven. "Door partitiefunctie-nullen te berekenen, zijn we op weg om het probleem van het schalen naar grotere aantallen qubits op te lossen bij het berekenen van vrije energieën en entropieën in een bepaald systeem."

Quantumcomputers worden vaak gebruikt om gecompliceerde systemen te bestuderen vanwege hun vermogen om grote berekeningen te verwerken die buiten het bereik van conventionele computers liggen. Echter, enkele problemen, zoals het meten van de thermodynamica of vrije energie in een systeem (waarbij de entropie wordt berekend), zijn nog steeds te groot om zelfs met deze computers efficiënt om te gaan.

Een partitiefunctie beschrijft de statistische eigenschappen van een systeem in thermodynamisch evenwicht. De totale energie, gratis energie, entropie, of druk van een systeem kan wiskundig worden uitgedrukt in termen van de partitiefunctie of zijn afgeleiden.

Kemper en zijn collega's gebruikten een kwantumcomputer om de partitiefunctie-nullen te meten, in plaats van de entropie, van een spinmodel zoals het is afgestemd over een faseovergang.

"Onze methode slaat het deel over waar we de entropie berekenen in het voordeel van te kijken naar de partitiefunctie, " zegt Kemper. "Dat komt omdat de partitiefunctie een genererende functie is - een functie waarop je bewerkingen kunt uitvoeren om andere thermodynamische informatie te verkrijgen, zoals de interne energie en de entropie.

"We meten de partitiefunctie door te bepalen waar deze nul is. Als je eenmaal alle nullen van een functie kent, je kent de hele functie. Aangezien de nullen in het complexe vlak liggen, we gebruikten een mapping tussen het hebben van een complex magnetisch veld en tijdevolutie om ze te vinden."

De onderzoekers berekenden de partitiefunctie op zowel een standaard als een ingesloten ionen-quantumcomputer in het laboratorium van Norbert Linke aan de Universiteit van Maryland. De resultaten van beide waren gunstig.

"Dit is een manier om een ​​kwantumcomputer te gebruiken om alle thermodynamische eigenschappen van een systeem te achterhalen zonder dat er enorme hoeveelheden kwantumberekeningen nodig zijn, ' zegt Kemper.

Het onderzoek verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang .