Op het eerste gezicht lijkt een systeem bestaande uit 51 ionen gemakkelijk beheersbaar. Maar zelfs als deze geladen atomen alleen heen en weer worden gewisseld tussen twee toestanden, is het resultaat meer dan twee quadriljoen (10 ¹⁵ ) verschillende opdrachten die het systeem kan aannemen.

Het gedrag van een dergelijk systeem is bijna onmogelijk te berekenen met conventionele computers, vooral omdat een excitatie die in het systeem wordt geïntroduceerd zich grillig kan voortplanten. De excitatie volgt een statistisch patroon dat een Lévy-vlucht wordt genoemd.

Kenmerkend voor dergelijke bewegingen is dat er naast de te verwachten kleinere sprongen ook aanzienlijk grotere sprongen plaatsvinden. Dit fenomeen kan ook worden waargenomen in de vluchten van bijen en in ongebruikelijke felle bewegingen op de aandelenmarkt.

Kwantumdynamica simuleren:traditioneel een moeilijke taak

Terwijl het simuleren van de dynamiek van een complex kwantumsysteem een ​​hele klus is voor zelfs traditionele supercomputers, is de taak kinderspel voor kwantumsimulators. Maar hoe kunnen de resultaten van een kwantumsimulator worden geverifieerd zonder de mogelijkheid om dezelfde berekeningen uit te voeren?

Observatie van kwantumsystemen gaf aan dat het mogelijk zou kunnen zijn om op zijn minst het langetermijngedrag van dergelijke systemen weer te geven met vergelijkingen zoals die de gebroeders Bernoulli in de 18e eeuw ontwikkelden om het gedrag van vloeistoffen te beschrijven.

Om deze hypothese te testen, hebben de auteurs van een studie gepubliceerd in Science gebruikte een kwantumsysteem dat de dynamiek van kwantummagneten simuleert. Ze konden het gebruiken om te bewijzen dat, na een initiële fase die werd gedomineerd door kwantummechanische effecten, het systeem daadwerkelijk kon worden beschreven met vergelijkingen van het type dat bekend is uit de vloeistofdynamica.

Bovendien toonden ze aan dat dezelfde Lévy Flight-statistieken die de zoekstrategieën beschrijven die door bijen worden gebruikt, ook van toepassing zijn op vloeistofdynamische processen in kwantumsystemen.

Gevangen ionen als platform voor gecontroleerde kwantumsimulaties

De kwantumsimulator is gebouwd in het Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen aan de Universiteit van Innsbruck Campus. "Ons systeem simuleert effectief een kwantummagneet door de noord- en zuidpool van een moleculaire magneet weer te geven met behulp van twee energieniveaus van de ionen", zegt IQOQI Innsbruck-wetenschapper Manoj Joshi.

"Onze grootste technische vooruitgang was het feit dat we erin zijn geslaagd om elk van de 51 ionen afzonderlijk aan te pakken", merkt Manoj Joshi op. "Als resultaat waren we in staat om de dynamiek van elk gewenst aantal begintoestanden te onderzoeken, wat nodig was om het ontstaan ​​van de vloeistofdynamica te illustreren."

"Hoewel het aantal qubits en de stabiliteit van de kwantumtoestanden momenteel zeer beperkt is, zijn er vragen waarvoor we vandaag al de enorme rekenkracht van kwantumsimulators kunnen gebruiken", zegt Michael Knap, hoogleraar Collective Quantum Dynamics aan de Technische Universiteit van München.

"In de nabije toekomst zullen kwantumsimulators en kwantumcomputers ideale platforms zijn om de dynamiek van complexe kwantumsystemen te onderzoeken", legt Michael Knap uit. "Nu weten we dat deze systemen na een bepaald moment de wetten van de klassieke vloeistofdynamica volgen. Sterke afwijkingen daarvan zijn een indicatie dat de simulator niet goed werkt." + Verder verkennen

Het manipuleren van de donkere toestanden van supergeleidende circuits in een microgolfgolfgeleider