211service.com
Första simuleringen av Quantum Tunneling på en Quantum Computer
Exploateringen av kvantkonstigheter för beräkningar är ett av de stora målen för modern fysik. Det löftet är dramatiskt för ett brett spektrum av siffror.
Men kvantdatorer har ett annat trick i rockärmen som ibland glöms bort – förmågan att simulera andra kvantsystem. Fysiker har redan visat hur kvantdatorer av olika slag kan simulera fenomen som kvantfasövergångar och dynamiken i intrassling – sådant som klassiska datorer helt enkelt inte kan hantera.
Det finns dock ett kvantfenomen som aldrig har simulerats – tunnelering. Detta är kvantpartiklarnas förmåga att passera en barriär utan att verka ha passerat genom den.
Det finns i princip ingen anledning till varför kvantdatorer inte kan simulera tunnling. Problemet är uppgiftens komplexitet.
De hittills genomförda simuleringarna har alla involverat så kallade analoga processer som är relativt enkla. Tanken här är att den matematiska beskrivningen av ett system, dess Hamiltonian, återges exakt i ett annat system.
Så att titta på ett system berättar exakt hur det andra skulle bete sig. Detta är känt som analog kvantpartikelsimulering och det fungerar bra förutsatt att du kan hitta system som matchar på önskat sätt. Att titta på kvantfasövergångar är ett bra exempel eftersom många system delar samma matematiska beskrivning.
För mer komplexa problem har fysiker nyligen funderat på ett annat tillvägagångssätt. Tanken här är att dela upp det matematiska systemet i olika delar och simulera dem separat. Detta är känt som digital kvantpartikelsimulering och det har en enorm potential för händelser som involverar mer än ett objekt, såsom kvantkemi och tunnling.
Problemet är den stora komplexiteten i dessa beräkningar, som kräver många kvantlogiska grindar som bearbetar dussintals kvantbitar. Det har alltid varit bortom det senaste inom kvantberäkning.
Men tidigare i år Andrew Sornborger vid University of Georgia i Aten visade hur fallet med en enda partikel som tunnlar genom en barriär skulle kunna göras tillräckligt enkelt för att simulera på dagens kvantdatorer. En sådan demonstration skulle vara det första exemplet på en digital kvantsimulering.
Och idag säger Guan Ru Feng och kompisar vid Tsinghua University i Peking att de har gjort det. För att simulera tunnling använde dessa killar en kvantdator som förlitar sig på kärnmagnetisk resonans för att manipulera qubits som är kodade i kol- och väteatomerna som utgör kloroformmolekyler. De säger att detta är den första demonstrationen av en kvanttunnelsimulering med en NMR-kvantdator.
Det borde öppna slussarna för fler digitala kvantsimuleringar i framtiden. Det är viktigt eftersom detta tillvägagångssätt har potential att simulera mycket mer komplexa kvantfenomen än vad som är möjligt för närvarande. Räkna med att se mer av det.
Ref: arxiv.org/abs/1205.2421 : Experimentell digital simulering av Quantum Tunneling i en NMR Quantum Simulator