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Erste Simulation von Quantentunneln auf einem Quantencomputer
Die Ausnutzung der Quantenverrücktheit für Computer ist eines der großen Ziele der modernen Physik. Sein Versprechen ist für eine Vielzahl von Zahlenverarbeitungsaufgaben dramatisch.
Aber Quantencomputer haben noch einen anderen Trick im Ärmel, der manchmal vergessen wird – die Fähigkeit, andere Quantensysteme zu simulieren. Physiker haben bereits gezeigt, wie Quantencomputer verschiedener Art Phänomene wie Quantenphasenübergänge und die Dynamik der Verschränkung simulieren können – Dinge, mit denen klassische Computer einfach nicht umgehen können.
Es gibt jedoch ein Quantenphänomen, das noch nie simuliert wurde – das Tunneln. Dies ist die Fähigkeit von Quantenteilchen, eine Barriere zu überwinden, ohne sie scheinbar passiert zu haben.
Es gibt keinen prinzipiellen Grund, warum Quantencomputer das Tunneln nicht simulieren können. Das Problem ist die Komplexität der Aufgabe.
Bei den bisher durchgeführten Simulationen handelte es sich alle um sogenannte analoge Verfahren, die relativ einfach sind. Die Idee dabei ist, dass die mathematische Beschreibung eines Systems, sein Hamilton-Operator, in einem anderen System exakt reproduziert wird.
Wenn Sie also ein System beobachten, erfahren Sie genau, wie sich das andere verhalten würde. Dies ist als analoge Quantenteilchensimulation bekannt und funktioniert gut, vorausgesetzt, Sie finden Systeme, die auf die erforderliche Weise übereinstimmen. Die Beobachtung von Quantenphasenübergängen ist ein gutes Beispiel, da viele Systeme dieselbe mathematische Beschreibung haben.
Für komplexere Probleme haben Physiker neuerdings über einen anderen Ansatz nachgedacht. Die Idee hier ist, das mathematische System in verschiedene Teile zu zerlegen und diese separat zu simulieren. Dies ist als digitale Quantenteilchensimulation bekannt und hat ein enormes Potenzial für Ereignisse, an denen mehr als ein Objekt beteiligt ist, wie z. B. Quantenchemie und Tunneln.
Das Problem ist die schiere Komplexität dieser Berechnungen, für die zahlreiche Quantenlogikgatter erforderlich sind, die Dutzende von Qubits verarbeiten. Das war schon immer über dem Stand der Technik für Quantencomputing.
Anfang dieses Jahres jedoch Andrew Sornborger von der University of Georgia in Athen zeigte, wie der Fall eines einzelnen Teilchens durch eine Barriere tunnelt auf heutigen Quantencomputern simulierbar gemacht werden könnte. Eine solche Demonstration wäre das erste Beispiel für eine digitale Quantensimulation.
Und heute sagen Guan Ru Feng und seine Freunde von der Tsinghua-Universität in Peking, dass sie es geschafft haben. Um das Tunneln zu simulieren, verwendeten diese Jungs einen Quantencomputer, der auf Kernspinresonanz beruht, um Qubits zu manipulieren, die in den Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen kodiert sind, aus denen Chloroformmoleküle bestehen. Sie sagen, dies sei die erste Demonstration einer Quantentunnelsimulation mit einem NMR-Quantencomputer.
Das sollte künftig die Schleusen für mehr digitale Quantensimulationen öffnen. Dies ist von Bedeutung, da dieser Ansatz das Potenzial hat, viel komplexere Quantenphänomene zu simulieren, als dies derzeit möglich ist. Erwarten Sie, mehr davon zu sehen.
Ref: arxiv.org/abs/1205.2421 : Experimentelle digitale Simulation des Quantentunnelns in einem NMR-Quantensimulator