Ein Quantencomputer kann eine unendliche Reihe chaotischer Teilchen simulieren

Mit nur wenigen Qubits simulierten die Forscher mit einem Quantencomputer eine unendliche Reihe von elektronenähnlichen Teilchen. Diese Technik kann verwendet werden, um das Verhalten von Molekülen in Materialien besser zu verstehen

von Carmela Badavich Callahan

Ein Quantencomputer aus geladenen Atomen kann mit wenigen Qubits das zeitliche Verhalten einer unendlich langen, chaotischen Reihe interagierender Teilchen simulieren.

Das Verhalten spezieller Materialien wie Supraleiter und Moleküle, die interessante chemische Reaktionen durchlaufen, ist oft zu komplex, um es selbst auf Supercomputern zu simulieren. Forscher haben lange geglaubt, dass Quantencomputer für solche Aufgaben besser geeignet wären, wenn sie ein ausreichend großes Gerät bauen könnten.

Eli Chertkov vom Quantencomputerunternehmen Quantinuum in Colorado und Kollegen haben einen Simulationsalgorithmus entwickelt, der diese Größenbeschränkungen überwindet und es einem Quantencomputer ermöglicht, eine unendlich lange Kette von interagierenden elektronenähnlichen Teilchen mit sehr wenigen Quantenbits (Qubits) zu simulieren. .

Die Forscher verwendeten Qubits aus geladenen Ytterbiumatomen. Sie haben es so programmiert, dass es den neuen Algorithmus ausführt, der eine Reihe von Partikeln simuliert, die alle miteinander interagieren. Das Team richtete die Wechselwirkungen so ein, dass zuvor vorgeschlagene mathematische Analysen dazu führen würden, dass sich die Teilchen chaotisch verhalten – ein mathematisches Konzept, das bedeutet, dass sehr kleine Änderungen der ursprünglichen Ordnung zu einem späteren Zeitpunkt große Auswirkungen haben.

Normalerweise hängt die Anzahl der Teilchen, die ein Quantencomputer simulieren kann, von der Anzahl der Qubits ab, die er verwenden kann. Hier verwendeten die Forscher nur drei bis elf Qubits.

Ein Quantencomputer kann dies tun, sagt Chertkov, weil der Algorithmus ihn anweist, die Qubits während der Berechnung “recycelt” zu halten. Wenn der Computer mehr Qubits benötigte, wählte er eines aus, das er bereits verwendet hatte, setzte es zurück und verwendete es dann erneut, ohne die anderen am laufenden Konto beteiligten Qubits zu stören.

Die Forscher wussten bereits aus früheren Berechnungen, wie sich eine Reihe von Partikeln im Laufe der Zeit verhalten sollte, und das haben sie in ihren Simulationen gesehen, was darauf hindeutet, dass sie es tun.

Der nächste Test des neuen Algorithmus wird darin bestehen, ein System zu simulieren, mit dem herkömmliche Computer nicht umgehen können, sagt Miles Stoudenmire vom Flatiron Institute in New York, wie Partikel in zweidimensionalen Materialien und nicht nur eine einzelne Linie. Zu verstehen, was die Elektronen in diesen Materialien im Laufe der Zeit tun, könnte beispielsweise dazu beitragen, effizientere elektronische Geräte zu entwickeln.

Caden Hazard von der Rice University in Texas sagt, dass das chaotische Element die Simulation für die reale Welt relevanter macht. Wenn Sie einfach ein von der Natur inspiriertes System auswählen, ist es wahrscheinlich chaotisch, sagt er.

Referenz: Naturphysik, DOI: 10.1038/s41567-022-01689-7