211service.com
Eerste simulatie van Quantum Tunneling op een Quantum Computer
De exploitatie van kwantumgekte voor computers is een van de grote doelen van de moderne natuurkunde. De belofte is dramatisch voor een breed scala aan rekentaken.
Maar kwantumcomputers hebben nog een truc in petto die soms wordt vergeten: het vermogen om andere kwantumsystemen te simuleren. Natuurkundigen hebben al laten zien hoe kwantumcomputers van verschillende typen fenomenen zoals kwantumfaseovergangen en de dynamiek van verstrengeling kunnen simuleren - dingen die klassieke computers gewoon niet aankunnen.
Er is echter één kwantumfenomeen dat nog nooit is gesimuleerd: tunneling. Dit is het vermogen van kwantumdeeltjes om een barrière te passeren zonder er doorheen te lijken te zijn gegaan.
Er is in principe geen reden waarom kwantumcomputers geen tunneling kunnen simuleren. Het probleem is de complexiteit van de taak.
De simulaties die tot nu toe zijn uitgevoerd, hebben allemaal betrekking op zogenaamde analoge processen die relatief eenvoudig zijn. Het idee hier is dat de wiskundige beschrijving van het ene systeem, de Hamiltoniaan, exact wordt gereproduceerd in een ander systeem.
Dus als je naar het ene systeem kijkt, weet je precies hoe het andere zich zou gedragen. Dit staat bekend als analoge kwantumdeeltjessimulatie en het werkt goed, op voorwaarde dat je systemen kunt vinden die op de vereiste manier overeenkomen. Het kijken naar kwantumfaseovergangen is een goed voorbeeld omdat veel systemen dezelfde wiskundige beschrijving delen.
Voor complexere problemen denken fysici de laatste tijd na over een andere benadering. Het idee hier is om het wiskundige systeem in verschillende delen te splitsen en ze afzonderlijk te simuleren. Dit staat bekend als digitale kwantumdeeltjessimulatie en heeft een enorm potentieel voor gebeurtenissen waarbij meer dan één object betrokken is, zoals kwantumchemie en tunneling.
Het probleem is de enorme complexiteit van deze berekeningen, waarvoor talloze logische kwantumpoorten nodig zijn die tientallen qubits verwerken. Dat is altijd verder gegaan dan de state-of-the-art voor quantum computing.
Begin dit jaar echter Andrew Sornborger van de Universiteit van Georgia in Athene liet zien hoe een enkel deeltje door een barrière tunnelt zou eenvoudig genoeg kunnen worden gemaakt om te simuleren op de huidige kwantumcomputers. Zo'n demonstratie zou het eerste voorbeeld zijn van een digitale kwantumsimulatie.
En vandaag zeggen Guan Ru Feng en vrienden van de Tsinghua Universiteit in Peking dat ze het hebben gedaan. Om tunneling te simuleren, gebruikten deze jongens een kwantumcomputer die vertrouwt op nucleaire magnetische resonantie om qubits te manipuleren die zijn gecodeerd in de koolstof- en waterstofatomen waaruit chloroform-moleculen bestaan. Ze zeggen dat dit de eerste demonstratie is van een simulatie van kwantumtunneling met behulp van een NMR-kwantumcomputer.
Dat zou de sluizen moeten openen voor meer digitale kwantumsimulaties in de toekomst. Het is belangrijk omdat deze benadering het potentieel heeft om veel complexere kwantumfenomeen te simuleren dan momenteel mogelijk is. Verwacht er meer van te zien.
Referentie: arxiv.org/abs/1205.2421 : Experimentele digitale simulatie van Quantum Tunneling in een NMR Quantum Simulator