Første simulering af kvantetunneling på en kvantecomputer

Udnyttelsen af ​​quantum weirdness til computere er et af de store mål for moderne fysik. Det løfte er dramatisk for en bred vifte af tal-knasende opgaver.

Men kvantecomputere har et andet trick i ærmet, som nogle gange glemmes - evnen til at simulere andre kvantesystemer. Fysikere har allerede vist, hvordan kvantecomputere af forskellige typer kan simulere fænomener som kvantefaseovergange og dynamikken i sammenfiltring - ting, som klassiske computere simpelthen ikke kan håndtere.

Der er dog et kvantefænomen, som aldrig er blevet simuleret – tunnelering. Dette er kvantepartiklernes evne til at krydse en barriere uden at synes at have passeret gennem den.

Der er principielt ingen grund til, hvorfor kvantecomputere ikke kan simulere tunnelering. Problemet er opgavens kompleksitet.

De hidtil udførte simuleringer har alle involveret såkaldte analoge processer, som er relativt ligetil. Tanken her er, at den matematiske beskrivelse af et system, dets Hamiltonian, er nøjagtigt gengivet i et andet system.

Så at se det ene system fortæller dig præcis, hvordan det andet ville opføre sig. Dette er kendt som analog kvantepartikelsimulering, og det fungerer godt, forudsat at du kan finde systemer, der matcher på den nødvendige måde. At se kvantefaseovergange er et godt eksempel, fordi mange systemer deler den samme matematiske beskrivelse.

For mere komplekse problemer har fysikere for nylig tænkt på en anden tilgang. Ideen her er at opdele det matematiske system i forskellige dele og simulere dem hver for sig. Dette er kendt som digital kvantepartikelsimulering, og det har et enormt potentiale for begivenheder, der involverer mere end ét objekt, såsom kvantekemi og tunneling.

Problemet er den rene kompleksitet af disse beregninger, som kræver adskillige kvantelogiske porte, der behandler snesevis af qubits. Det har altid været ud over det nyeste inden for kvanteberegning.

Men tidligere i år Andrew Sornborger ved University of Georgia i Athen viste, hvordan tilfældet med en enkelt partikel tunnelerer gennem en barriere kunne gøres simpelt nok til at simulere på nutidens kvantecomputere. En sådan demonstration ville være det første eksempel på en digital kvantesimulering.

Og i dag siger Guan Ru Feng og venner på Tsinghua University i Beijing, at de har gjort det. For at simulere tunnelering brugte disse fyre en kvantecomputer, der er afhængig af kernemagnetisk resonans til at manipulere qubits indkodet i kulstof- og brintatomerne, der udgør chloroformmolekyler. De siger, at dette er den første demonstration af en kvantetunnelsimulering ved hjælp af en NMR kvantecomputer.

Det burde åbne sluserne for flere digitale kvantesimuleringer i fremtiden. Det er vigtigt, fordi denne tilgang har potentialet til at simulere meget mere komplekse kvantefænomener, end det er muligt i øjeblikket. Forvent at se mere af det.

Ref: arxiv.org/abs/1205.2421 : Eksperimentel digital simulering af kvantetunneling i en NMR kvantesimulator

skjule