Квантовые физики Trinity и IBM Dublin смогли успешно смоделировать супердиффузию в системе взаимодействующих квантовых частиц на квантовом компьютере. Результаты исследования обещают пролить новый свет на физику конденсированных сред и материаловедение.
Как известно, квантовые вычисления могут значительно упростить моделирование сложных квантовых процессов. Преимущественно за счёт того, что и единицы информации в квантовом компьютере, и логические блоки, вентили и прочие элементы обладают квантовыми свойствами. Также сами по себе квантовые вычисления обладают специфическими свойствами, которые значительно упрощают моделирование квантовых процессов.
«Идея использования квантовых систем для моделирования квантовой динамики восходит к американскому физику, лауреату Нобелевской премии Ричарду Фейнману, который предположил, что квантовые системы лучше всего моделировать с помощью квантовых систем. Причина проста — вы, естественно, используете тот факт, что квантовый компьютер описывается волновой функцией, что позволяет обойти потребность в экспоненциальных классических ресурсах для хранения состояния», - говорит один из авторов.
Квантовый компьютер, использованный в исследовании, состоит из 27 сверхпроводящих кубитов. Этот компьютер физически расположен в лаборатории IBM в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк, но его можно удаленно программировать из Дублина.
Профессор Trinity Джон Гулд, директор Trinity Quantum Alliance, который руководил этим исследованием, подчеркнул важность работы и идеи квантового моделирования в целом. Он указал на главное преимущество квантовых вычислений в подобных процессах, отметив что моделирование динамики сложной квантовой системы с множеством взаимодействующих компонентов является серьезной проблемой для обычных компьютеров. Чтобы описать состояние системы из 27 кубитов на стандартном компьютере, потребуется огромное количество вычислительных ресурсов.
«Рассмотрите 27 кубитов на этом конкретном устройстве. В квантовой механике состояние такой системы описывается математически объектом, называемым волновой функцией. Чтобы использовать стандартный компьютер для описания этого объекта, вам требуется огромное количество коэффициентов, которые хранятся в памяти, а требования экспоненциально растут с количеством кубитов, примерно 134 миллиона коэффициентов в случае этой симуляции».
«Поскольку вы увеличите систему, скажем, до 300 кубитов, вам потребуется больше коэффициентов, чем атомов в наблюдаемой Вселенной, чтобы описать такую систему, и ни один классический компьютер не сможет точно зафиксировать состояние системы. Другими словами, мы упираемся в стену, когда моделирования квантовых систем», — сказал Гулд.
Так что же именно смоделировала команда? Профессор Гулд продолжает:
«Некоторые из простейших нетривиальных квантовых систем — это спиновые цепочки. Это системы небольших связанных магнитов, называемых спинами, которые имитируют более сложные материалы и используются для понимания магнетизма. Нас интересовала модель, называемая моделью Гейзенберга. Цепь, и нас особенно интересовало долговременное поведение того, как спиновые возбуждения передаются по системе. В этом долговременном пределе квантовые системы многих тел входят в гидродинамический режим, и перенос описывается уравнениями, которые описывают классические жидкости».
Квантовые компьютеры предоставляют новые возможности для эффективного моделирования сложных систем и решения проблем, которые ранее были недоступны для классических компьютеров. Этот результат в квантовом моделировании открывает двери для дальнейших исследований в области физики конденсированных сред и материаловедения, а также для решения других фундаментальных вопросов, которые квантовые компьютеры могут помочь разрешить.
