Kwantumfysici van de Trinity University hebben, in samenwerking met IBM Dublin, met succes superdiffusie gesimuleerd in een systeem van op elkaar inwerkende kwantumdeeltjes op een kwantumcomputer. Dit is de eerste stap op weg naar het uitvoeren van moeilijke kwantumtransportberekeningen op kwantumhardware. Naarmate de hardware steeds beter wordt, wordt verwacht dat dit werk nieuwe onthullingen zal opleveren op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie en de materiaalkunde.

Dit werk is een van de eerste resultaten van het TCD-IBM Predoctoral Fellowship Program, een recentelijk opgezet programma waarin IBM gezamenlijk promovendi aan Trinity begeleidt en tegelijkertijd promovendi als staf in dienst heeft. Het artikel werd onlangs gepubliceerd in het beroemde Nature-tijdschrift NPJ Quantum Information.

IBM is een wereldleider op het opwindende gebied van quantum computing. De vroege kwantumcomputer die in dit onderzoek werd gebruikt, bestond uit 27 supergeleidende qubits (qubits zijn de bouwstenen van de kwantumlogica) en bevond zich fysiek in het IBM-lab in Yorktown Heights, New York, en op afstand geprogrammeerd in Dublin.

Kwantumcomputing is een van de meest opwindende technologieën die er zijn en zal naar verwachting in de komende tien jaar dichter bij commerciële toepassingen komen. Naast commerciële toepassingen kunnen kwantumcomputers een aantal fascinerende fundamentele problemen helpen oplossen. Een team van Trinity University Dublin en IBM heeft een dergelijk probleem met betrekking tot kwantumsimulatie opgelost.

Professor John Goold, directeur van de nieuw opgerichte Trinity Quantum Alliance en de leider van dit onderzoek, zei bij het uitleggen van de betekenis van dit werk en het algemene idee van kwantumsimulaties

"Over het algemeen is het simuleren van de dynamiek van complexe kwantumsystemen die uit veel op elkaar inwerkende componenten bestaan een moeilijke uitdaging voor klassieke computers. Denk eens aan de 27 qubits op dit specifieke apparaat. In de kwantummechanica wordt de toestand van een dergelijk systeem bepaald door een functie die een golffunctie wordt genoemd. Een object wordt wiskundig beschreven. Om dit object te beschrijven met behulp van een standaardcomputer is het nodig dat een groot aantal coëfficiënten in het geheugen wordt opgeslagen, en de vereiste voor deze coëfficiënten neemt exponentieel toe met het aantal qubits; in dit simulatiegeval ongeveer Er zijn 134 miljoen coëfficiënten nodig.

‘Als systemen groeien tot 300 bits, overschrijden de coëfficiënten die nodig zijn om zo’n systeem te beschrijven het aantal atomen in het waarneembare heelal, en geen enkele klassieke computer kan nauwkeurig de toestand van het systeem vastleggen. Met andere woorden, we lopen tegen een muur aan bij het simuleren van kwantumsystemen. Kwantumdynamica simuleren met behulp van kwantumsystemen Het idee van leren is terug te voeren op de Amerikaanse Nobelprijswinnaar Richard Feynman, die voorstelde dat kwantumsystemen het beste kunnen worden gesimuleerd met behulp van kwantumsystemen. De reden is simpel: je profiteert natuurlijk van de feit dat kwantumcomputers worden beschreven door golffuncties, waardoor de exponentiële klassieke bronnen worden omzeild die nodig zijn om toestanden op te slaan."

Dus wat simuleerde het onderzoeksteam precies? Professor Goold vervolgde:

"Enkele van de eenvoudigste niet-driedimensionale kwantumsystemen zijn spinketens. Deze systemen zijn verbonden door kleine magneten, spins genaamd, die complexere materialen nabootsen, en worden gebruikt om magnetisme te begrijpen. We zijn geïnteresseerd in een model dat een Heisenberg-keten wordt genoemd, en zijn vooral geïnteresseerd in het langetermijngedrag van hoe spin-excitaties door het systeem worden getransporteerd. In deze langdurige opsluiting komen kwantumsystemen met veel lichamen in een hydrodynamisch regime terecht, waarbij het transport wordt beschreven door vergelijkingen die klassieke vloeistoffen beschrijven."

"We zijn geïnteresseerd in een speciaal mechanisme waarin een fenomeen genaamd superdiffusie optreedt omdat de onderliggende fysica wordt bepaald door de Kardar-Parisi-Zhange-vergelijking. Deze vergelijking beschrijft doorgaans de willekeurige groei van een oppervlak of grensvlak, zoals hoe de hoogte van sneeuw groeit in een sneeuwstorm, hoe een vlek op een koffiekopje in de loop van de tijd groeit, of hoe een pluisvuur groeit. Deze voortplanting wordt superdiffusief transport genoemd. Verrassend genoeg verschijnen de vergelijkingen die deze verschijnselen beheersen ook in kwantumdynamica, wat de belangrijkste prestatie van dit werk is."

IBM-Trinity pre-doctoraal wetenschapper Nathan Keenan is programmeur bij het project. Hij vertelde ons over enkele van de uitdagingen waarmee het programmeren van kwantumcomputers wordt geconfronteerd.

Hij zei: "Het grootste probleem bij het programmeren van kwantumcomputers is het uitvoeren van nuttige berekeningen in de aanwezigheid van ruis. Bewerkingen die op chipniveau worden uitgevoerd zijn niet perfect en computers zijn erg gevoelig voor interferentie uit de laboratoriumomgeving. Daarom is het altijd wenselijk om de looptijd van een nuttig programma te minimaliseren, omdat dit de tijd zal verkorten voordat deze fouten en interferentie kunnen optreden en de resultaten kunnen beïnvloeden."

Juan Bernabé-Moreno, directeur van IBM Research UK en Ierland, zei:

“IBM heeft een lange geschiedenis in het bevorderen van de kwantumcomputertechnologie, die niet alleen decennia aan onderzoek oplevert, maar ook de grootste en breedste commerciële kwantumprogramma’s en ecosysteem oplevert. Onze samenwerking met Trinity College Dublin via de MSc- en PhD-programma’s in Quantum Science and Technology is hiervan een voorbeeld, en ik ben blij dat deze samenwerking al veelbelovende resultaten oplevert.”

Nu de wereld een nieuw tijdperk van kwantumsimulaties binnengaat, is het geruststellend om te weten dat kwantumfysici van het Trinity College Dublin voorop lopen bij het programmeren van de apparaten van de toekomst. Kwantumsimulatie is een kernonderzoekspijler van de nieuw gevormde Trinity Quantum Alliance, opgericht en geleid door professor John Goold, die vijf industriële partners heeft, waaronder IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon en Moodys Analytics.