Hvordan spreder kold mælk, når den dryppes i varm kaffe? Selv de hurtigste supercomputere er ikke i stand til at udføre de nødvendige beregninger med høj præcision, fordi de underliggende kvante fysiske processer er ekstremt komplekse.
I 1982 foreslog Nobelprisvindende fysiker Richard Feynman, at sådanne spørgsmål i stedet for at bruge konventionelle computere, løses bedre ved hjælp af en kvantecomputer, som kan simulere kvantefysiske processer effektivt-en kvantesimulator. Da de hurtige fremskridt, der nu er gjort i udviklingen af kvantecomputere, kunne Feynmans vision snart blive en realitet.
Sammen med forskere fra Google og universiteter i fem lande har Andreas Läuchli og Andreas Elben, to teoretiske fysikere ved PSI, bygget og med succes testet en ny type digital -analog kvantesimulator.
Dette repræsenterer en milepæl, fordi deres simulator beregner fysiske processer ikke kun med hidtil uset præcision; Deres koncept er også særligt fleksibelt, hvilket betyder, at det kan anvendes til mange forskellige problemer-fra faststoffysik for astrofysik. Deres fund blev offentliggjort 5. februar i tidsskriftet Natur.
Kombination af analog og digital
Et vigtigt aspekt af den nye kvanteprocessor er, at de 69 superledende kvantebits (qubits) på kvantechippen udviklet af Google tillader både digitale og analoge driftstilstande. Digitale kvantecomputere udfører deres operationer ved hjælp af universelle kvanteporte, der ligner de logiske porte i klassiske computere. Forskellen er, at qubits takket være kvantemekanisk superposition ikke kun kan antage staterne 0 og 1, men også et væld af mellemstater.
Selvom sådanne rent digitale kvantecomputere allerede er meget kraftfulde, er deres potentiale som kvantesimulatorer stadig begrænset. Analoge kvantesimulatorer er på den anden side afhængige af den direkte simulering af fysiske processer, realistisk modellering af interaktionerne mellem de forskellige partikler, for eksempel for at studere magnetiske egenskaber i faste stoffer.
Disse to tilgange – digitale og analoge – er nu blevet kombineret for første gang i et eksperiment, der samler styrkerne i begge verdener.
For at gøre dette definerer fysikerne diskrete startbetingelser, såsom introduktion af varme i et fast stof – dette er den digitale tilstand. Dette gør det muligt at definere startbetingelserne nøjagtigt og fleksibelt. I kaffekop-analogien, for eksempel, ville dette være en mælkekande, der hælder dråber mælk på en specificeret og kontrolleret måde på hundrede forskellige steder, på samme tid.
Den efterfølgende proces, hvormed mælken spreder sig i kaffen, svarer til den analoge tilstand. Interaktionen mellem qubits simulerer den fysiske dynamik, såsom varmeformering eller dannelse af magnetiske domæner, da de forekommer i reelle faste stoffer.
“Vi kan se kvantesimulatoren, når den når termisk ligevægt-eller i kaffelanalogien: Mælken distribueres i kaffen, og temperaturen udlignes i processen,” siger Elben, en ansættelsesforsker ved PSI.
“Vores forskning viser, at det er muligt at skabe superledende analoge -digital kvanteprocessorer på en chip, og at disse er egnede som kvantesimulatorer,” påpeger Läuchli.
På vej mod en universel kvantesimulator
Termalisering – processen med at nå termisk ligevægt – er imidlertid kun et af mange spændende spørgsmål, der kan besvares ved hjælp af den nye kvantesimulator. Konceptet demonstrerede her baner vejen for en universel kvantesimulator og skal bruges i en lang række forskellige fysikområder. Det strækker sig ud over kapaciteterne for eksisterende analoge kvantesimulatorer, som hver kun er egnet til et specifikt fysisk problem.
Et emne, der kan studeres på denne måde, er magnetisme, Läuchlis specialitet. Qubits i Googles kvantechip er arrangeret i form af et rektangel, og i den oprindelige tilstand skifter instruktionerne for deres magnetiske felter strengt. Men hvad sker der, hvis chippen er trekantet? Dette kan forstyrre det ryddelige arrangement, fordi qubits ikke er i stand til at justere deres magnetiske orientering i det almindelige mønster, de naturligt vedtager.
Dette fænomen er kendt som frustreret magnetisme og er af interesse, for eksempel i forbindelse med computerchips, der skifter og opbevarer bits, der ikke er baseret på ladningen af elektronerne, men på deres magnetiske spins. Dette fører til en meget højere hukommelsestæthed og en højere beregningshastighed.
Yderligere applikationer åbner op i udviklingen af nye materialer, såsom superledere af høj temperatur, og endda medicin, der kan bruges mere præcist og forårsager færre bivirkninger. Kvantesimulatorer er endda efterspurgt inden for astrofysik.
Et eksempel er det såkaldte informationsparadoks, der siger, at ingen oplysninger kan gå tabt i kvantefysik. Imidlertid mener astrofysikere, at sorte huller faktisk ødelægger information om deres dannelse – nye typer kvantesimulatorer kan muligvis afklare situationen.
“Vores kvantesimulator åbner døren til ny forskning,” lover Läuchli. Selvom projektet med Google er afsluttet, venter mange andre fysiske spørgsmål ham og hans team på PSI. På kvanteberegningsknudepunktet for ETHZ og PSI og videre udvikles kvantecomputere og kvantesimulatorer på forskellige teknologiske platforme, herunder fangede ioner, superledende qubits og Rydberg -atomer. Disse systemer vil snart gøre det muligt at studere spændende spørgsmål stillet af kvantefysik på PSI.
Läuchli siger, “Vi tjener også som en kilde til ideer til nye eksperimenter på PSIs store forskningsfaciliteter. Og vi tilbyder vores støtte til forskere, der udfører deres eksperimenter på faciliteterne, når det kommer til at fortolke overraskende resultater. Og i fremtiden vil vi Brug i stigende grad kvantesimulatorer til dette formål. “