Die Quantenphysiker von Trinity haben in Zusammenarbeit mit IBM Dublin erfolgreich die Superdiffusion in einem System interagierender Quantenteilchen auf einem Quantencomputer simuliert.
Dies ist der erste Schritt zur Durchführung äußerst anspruchsvoller Quantentransportberechnungen auf Quantenhardware. Da sich die Hardware im Laufe der Zeit verbessert, verspricht diese Arbeit, neue Erkenntnisse über die Physik der kondensierten Materie und die Materialwissenschaften zu gewinnen.
Die Arbeit ist eines der ersten Ergebnisse des TCD-IBM-Vordoktorandenstipendienprogramms, das kürzlich eingerichtet wurde und bei dem IBM Doktoranden einstellt. Studenten als Angestellte, während sie bei Trinity mitbetreut werden. Das Papier wurde kürzlich in veröffentlicht npj Quanteninformationen.
Der in dieser Studie verwendete Quantencomputer im Frühstadium besteht aus 27 supraleitenden Qubits (Qubits sind die Bausteine der Quantenlogik) und befindet sich physisch im IBM-Labor in Yorktown Heights in New York und wird von Dublin aus fernprogrammiert.
Quantencomputing ist derzeit eine der aufregendsten Technologien und wird voraussichtlich im nächsten Jahrzehnt immer mehr zur kommerziellen Anwendung gelangen. Abgesehen von kommerziellen Anwendungen gibt es faszinierende grundlegende Fragen, bei denen Quantencomputer helfen können. Das Team von Trinity und IBM Dublin ging eine solche Frage zur Quantensimulation an.
Trinity-Professor John Goold, Direktor der neu gegründeten Trinity Quantum Alliance und Leiter der Forschung, erläutert die Bedeutung der Arbeit und die Idee der Quantensimulation im Allgemeinen: „Generell geht es um das Problem der Simulation der Dynamik eines komplexen Quantensystems.“ mit vielen interagierenden Bestandteilen ist eine gewaltige Herausforderung für herkömmliche Computer.“
„Bedenken Sie die 27 Qubits auf diesem speziellen Gerät. In der Quantenmechanik wird der Zustand eines solchen Systems mathematisch durch ein Objekt beschrieben, das als Wellenfunktion bezeichnet wird. Um dieses Objekt mit einem Standardcomputer zu beschreiben, ist eine große Anzahl von Koeffizienten erforderlich.“ im Speicher gespeichert und die Anforderungen wachsen exponentiell mit der Anzahl der Qubits; im Fall dieser Simulation etwa 134 Millionen Koeffizienten.“
„Wenn man das System auf sagen wir 300 Qubits anwachsen lässt, braucht man mehr Koeffizienten, als es Atome im beobachtbaren Universum gibt, um ein solches System zu beschreiben, und kein klassischer Computer wird in der Lage sein, den Zustand des Systems genau zu erfassen. Mit anderen Worten, wir stoßen an eine Wand, wenn.“ Quantensysteme simulieren“, sagte Goold.
„Die Idee, Quantensysteme zur Simulation der Quantendynamik zu nutzen, geht auf den amerikanischen Nobelpreisträger Richard Feynman zurück, der vorschlug, Quantensysteme ließen sich am besten mithilfe von Quantensystemen simulieren. Der Grund ist einfach: Man nutzt natürlich die Tatsache aus, dass der Quantencomputer beschrieben wird.“ durch eine Wellenfunktion, wodurch der Bedarf an exponentiellen klassischen Ressourcen zur Speicherung des Zustands umgangen wird.“
Was genau hat das Team also simuliert? Prof. Goold fährt fort: „Einige der einfachsten nicht-trivialen Quantensysteme sind Spinketten. Dabei handelt es sich um Systeme kleiner verbundener Magnete, sogenannte Spins, die komplexere Materialien nachahmen und zum Verständnis des Magnetismus verwendet werden. Wir waren an einem Modell namens Heisenberg interessiert.“ Wir waren besonders an dem Langzeitverhalten des Transports von Spinanregungen durch das System interessiert. In diesem Langzeitlimit treten Quanten-Vielteilchensysteme in ein hydrodynamisches Regime ein und der Transport wird durch Gleichungen beschrieben, die klassische Flüssigkeiten beschreiben.
Ausbreitung von Flusenbränden
„Wir waren an einem bestimmten Regime interessiert, in dem etwas namens Superdiffusion auftritt, weil die zugrunde liegende Physik durch die sogenannte Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung bestimmt wird. Dabei handelt es sich um eine Gleichung, die typischerweise das stochastische Wachstum einer Oberfläche oder Grenzfläche wie folgt beschreibt.“ Die Höhe des Schnees wächst während eines Schneesturms, wie der Fleck einer Kaffeetasse auf einem Stoff mit der Zeit wächst oder wie ein Flusenfeuer wächst. Es ist bekannt, dass die Ausbreitung einen superdiffusiven Transport ermöglicht.“
„Das ist ein Transport, der mit zunehmender Systemgröße schneller wird. Es ist erstaunlich, dass in der Quantendynamik dieselben Gleichungen auftauchen, die diese Phänomene steuern, und wir konnten das mit dem Quantencomputer verifizieren. Das war die wichtigste Errungenschaft des.“ arbeiten.“
Der IBM-Trinity-Doktorand Nathan Keenan, der das Gerät im Rahmen des Projekts programmiert hat, erzählt uns von einigen Herausforderungen bei der Programmierung von Quantencomputern.
„Das größte Problem bei der Programmierung von Quantencomputern besteht darin, nützliche Berechnungen bei Vorhandensein von Rauschen durchzuführen“, sagte er. „Die auf Chipebene ausgeführten Vorgänge sind unvollständig und der Computer reagiert sehr empfindlich auf Störungen aus seiner Laborumgebung. Daher möchten Sie die Laufzeit eines nützlichen Programms minimieren, da dies die Zeit verkürzt, in der diese Fehler auftreten und Störungen können auftreten und Ihr Ergebnis beeinflussen.“
Juan Bernabé-Moreno, Direktor von IBM Research UK & Ireland, sagte: „IBM hat eine lange Geschichte in der Weiterentwicklung der Quantencomputertechnologie, nicht nur durch jahrzehntelange Forschung, sondern auch durch die Bereitstellung des größten und umfangreichsten kommerziellen Quantenprogramms und Ökosystems. Unser.“ Die Zusammenarbeit mit dem Trinity College Dublin im Rahmen des MSc for Quantum Science and Technology und des Ph.D.-Programms ist ein Beispiel dafür und ich freue mich, dass sie bereits vielversprechende Ergebnisse liefert.“
Mehr Informationen:
Nathan Keenan et al., Nachweis der Kardar-Parisi-Zhang-Skalierung auf einem digitalen Quantensimulator, npj Quanteninformationen (2023). DOI: 10.1038/s41534-023-00742-4