Pierwsza symulacja tunelowania kwantowego na komputerze kwantowym

Wykorzystanie dziwności kwantowej do obliczeń jest jednym z wielkich celów współczesnej fizyki. Obietnica jest dramatyczna w przypadku szerokiego zakresu zadań związanych z liczbami.

Ale komputery kwantowe mają w zanadrzu jeszcze jedną sztuczkę, o której czasami się zapomina – możliwość symulowania innych systemów kwantowych. Fizycy pokazali już, w jaki sposób komputery kwantowe różnych typów mogą symulować zjawiska, takie jak kwantowe przejścia fazowe i dynamika splątania – rzeczy, z którymi klasyczne komputery po prostu sobie nie radzą.

Jest jednak jedno zjawisko kwantowe, które nigdy nie było symulowane – tunelowanie. Jest to zdolność cząstek kwantowych do przekraczania bariery bez pozornego przechodzenia przez nią.

Zasadniczo nie ma powodu, dla którego komputery kwantowe nie mogłyby symulować tunelowania. Problemem jest złożoność zadania.

Wszystkie dotychczas przeprowadzone symulacje obejmowały tak zwane procesy analogowe, które są stosunkowo proste. Pomysł polega na tym, że opis matematyczny jednego systemu, jego hamiltonian, jest dokładnie odtworzony w innym systemie.

Tak więc obserwowanie jednego systemu mówi dokładnie, jak zachowałby się drugi. Jest to znane jako analogowa symulacja cząstek kwantowych i działa dobrze, pod warunkiem, że można znaleźć systemy, które pasują do siebie w wymagany sposób. Dobrym przykładem jest obserwowanie kwantowych przejść fazowych, ponieważ wiele systemów ma ten sam opis matematyczny.

W przypadku bardziej złożonych problemów fizycy zastanawiali się ostatnio nad innym podejściem. Pomysł polega na tym, aby podzielić system matematyczny na różne części i osobno je symulować. Jest to znane jako cyfrowa symulacja cząstek kwantowych i ma ogromny potencjał dla zdarzeń obejmujących więcej niż jeden obiekt, takich jak chemia kwantowa i tunelowanie.

Problemem jest sama złożoność tych obliczeń, które wymagają licznych bramek logiki kwantowej przetwarzających dziesiątki kubitów. To zawsze wykraczało poza najnowocześniejsze technologie obliczeń kwantowych.

Jednak na początku tego roku Andrew Sornborger z University of Georgia w Atenach pokazał, jak przypadek pojedynczej cząstki przebijającej się przez barierę może być na tyle prosty, aby można go było symulować na dzisiejszych komputerach kwantowych. Taka demonstracja byłaby pierwszym przykładem cyfrowej symulacji kwantowej.

A dzisiaj Guan Ru Feng i koledzy z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie mówią, że to zrobili. Aby zasymulować tunelowanie, ci faceci użyli komputera kwantowego, który opiera się na magnetycznym rezonansie jądrowym, aby manipulować kubitami zakodowanymi w atomach węgla i wodoru, które tworzą cząsteczki chloroformu. Mówią, że jest to pierwsza demonstracja symulacji tunelowania kwantowego przy użyciu komputera kwantowego NMR.

To powinno otworzyć furtkę dla większej liczby cyfrowych symulacji kwantowych w przyszłości. Jest to istotne, ponieważ takie podejście może symulować znacznie bardziej złożone zjawiska kwantowe niż jest to obecnie możliwe. Spodziewaj się zobaczyć więcej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1205.2421 : Eksperymentalna cyfrowa symulacja tunelowania kwantowego w symulatorze kwantowym NMR

ukryć