Het creëren van een kwantumcomputer die krachtig genoeg is om problemen aan te pakken die we met de huidige computers niet kunnen oplossen, blijft een grote uitdaging voor kwantumfysici. Een goed functionerende kwantumsimulator – een specifiek type kwantumcomputer – zou kunnen leiden tot nieuwe ontdekkingen over hoe de wereld op de kleinste schaal werkt.

Kwantumwetenschapper Natalia Chepiga van de Technische Universiteit Delft heeft een handleiding ontwikkeld over hoe je deze machines kunt upgraden, zodat ze nog complexere kwantumsystemen kunnen simuleren. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Physical Review Letters .

"Het creëren van bruikbare kwantumcomputers en kwantumsimulators is een van de belangrijkste en meest besproken onderwerpen in de kwantumwetenschap van vandaag, met het potentieel om een ​​revolutie in de samenleving teweeg te brengen", zegt onderzoeker Natalia Chepiga. Kwantumsimulatoren zijn een soort kwantumcomputer. Chepiga legt uit:"Kwantumsimulators zijn bedoeld om openstaande problemen van de kwantumfysica aan te pakken en ons begrip van de natuur verder te vergroten. Kwantumcomputers zullen brede toepassingen hebben op verschillende gebieden van het sociale leven, bijvoorbeeld op het gebied van financiën, encryptie en gegevensopslag." /P>

Stuurwiel

"Een belangrijk ingrediënt van een bruikbare kwantumsimulator is de mogelijkheid om deze te besturen of te manipuleren", zegt Chepiga. "Stel je een auto voor zonder stuur. Hij kan alleen vooruit, maar kan niet draaien. Is dat nuttig? Alleen als je in een bepaalde richting moet rijden; anders is het antwoord 'nee!'. Als we een auto willen creëren kwantumcomputer die in de nabije toekomst nieuwe natuurkundige verschijnselen zal kunnen ontdekken, moeten we een 'stuurwiel' bouwen om af te stemmen op wat interessant lijkt. In mijn artikel stel ik een protocol voor dat een volledig bestuurbare kwantumsimulator creëert."

Het protocol is een recept:een reeks ingrediënten die een kwantumsimulator moet kunnen afstemmen. In de conventionele opstelling van een kwantumsimulator worden rubidium- (Rb) of cesium- (Cs) atomen door één enkele laser bestraald. Hierdoor zullen deze deeltjes elektronen opnemen en daardoor energieker worden; ze raken opgewonden.

"Ik laat zien dat als we twee lasers met verschillende frequenties of kleuren zouden gebruiken, waardoor deze atomen in verschillende toestanden zouden worden gebracht, we de kwantumsimulatoren op veel verschillende instellingen zouden kunnen afstemmen", legt Chepiga uit.

Het protocol biedt een extra dimensie van wat kan worden gesimuleerd. "Stel je voor dat je een kubus alleen als schets op een plat vel papier hebt gezien, maar nu krijg je een echte 3D-kubus die je op verschillende manieren kunt aanraken, draaien en verkennen", vervolgt Chepiga. "Theoretisch kunnen we nog meer dimensies toevoegen door meer lasers in te zetten."

Veel deeltjes simuleren

"Het collectieve gedrag van een kwantumsysteem met veel deeltjes is buitengewoon uitdagend om te simuleren", legt Chepiga uit. "Behalve enkele tientallen deeltjes moet modellering met onze gebruikelijke computer of een supercomputer vertrouwen op benaderingen." Als we rekening houden met de interactie van meer deeltjes, temperatuur en beweging, zijn er simpelweg te veel berekeningen om voor de computer uit te voeren.

Kwantumsimulatoren zijn samengesteld uit kwantumdeeltjes, wat betekent dat de componenten met elkaar verstrengeld zijn. "Verstrengeling is een soort wederzijdse informatie die kwantumdeeltjes onderling delen. Het is een intrinsieke eigenschap van de simulator en maakt het daarom mogelijk om dit computationele knelpunt te overwinnen."

Meer informatie: Natalia Chepiga, Afstembare kwantumkriticiteit in uit meerdere componenten bestaande Rydberg-arrays, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.076505. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.12838

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

Aangeboden door de Technische Universiteit Delft