Uma nova técnica para estudar as propriedades de moléculas e materiais em um simulador quântico foi descoberta.

A nova técnica inovadora, pelo físico Oleksandr Kyriienko da Universidade de Exeter, poderia ser o pioneiro em um novo caminho para a próxima geração de computação quântica.

Os métodos atuais de computação quântica para estudar as propriedades de moléculas e materiais em uma escala de minutos dependem de um computador quântico tolerante a falhas ou de técnicas variacionais.

Esta nova abordagem proposta, em vez disso, depende da implementação da evolução quântica que estaria prontamente disponível em muitos sistemas. A abordagem é favorável para configurações quânticas modernas de última geração, notavelmente incluindo redes de átomos frios, e pode servir como um software para aplicações futuras em ciência de materiais.

O estudo pode abrir caminho para estudar as propriedades de sistemas fortemente correlacionados, incluindo o cobiçado modelo Fermi-Hubbard, que pode potencialmente oferecer a explicação da supercondutividade de alta temperatura.

A pesquisa foi publicada na nova revista Nature npj Quantum Information .

Dr. Kyriienko, parte do departamento de Física da Universidade de Exeter e o autor principal disse:"Até agora, vi que a capacidade de executar a dinâmica quântica pode ser usada para encontrar as propriedades do estado fundamental.

"A questão, Contudo, permanece - podemos usá-lo para estudar estados de excitação? Podemos conceber outro algoritmo poderoso com base nos princípios? A experiência diz que isso é possível, e será um assunto de esforços futuros. "

A ideia da simulação quântica foi proposta pelo vencedor do Prêmio Nobel Richard Feynman em 1982, onde ele sugeriu que os modelos quânticos podem ser mais naturalmente simulados se usarmos um sistema quântico bem controlado e inerentemente.

Desenvolvendo esta ideia, um ramo separado da ciência da informação quântica surgiu, baseado na noção de computador quântico - um dispositivo quântico universal onde sequências digitais de operações (portas quânticas) permitem resolver certos problemas com escalonamento superior de operação necessária em comparação com computadores clássicos convencionais.

Contudo, a intenção original de Feynman, que mais tarde foi chamada de simulação quântica analógica, até agora foi usado principalmente para observar propriedades dinâmicas de sistemas quânticos, enquanto impede encontrar o estado fundamental associado a várias tarefas de computação.

No novo estudo, Oleksandr Kyriienko mostrou que é possível explorar a evolução sequencial do sistema com medições de sobreposição de função de onda, de modo que o estudo eficaz das propriedades do estado fundamental se torna possível com simuladores quânticos analógicos.

A principal técnica que permite atingir o estado fundamental é a representação efetiva de um operador não unitário que "destila" o estado fundamental, executando a soma dos operadores de evolução unitários para diferentes tempos de evolução.

Mais importante, o estudo sugere que a dinâmica do sistema quântico é um recurso valioso para computação, como a capacidade de propagar o sistema emparelhado com medições de sobreposição pode dar acesso ao espectro de baixa temperatura de um sistema quântico que define seu comportamento.

Os resultados estabelecem a estrutura com simulação quântica baseada em dinâmica usando simuladores quânticos programáveis, e servir como um software quântico para muitos sistemas de rede quântica bem controlados onde um grande número de átomos (~ 100) impede a simulação clássica.

Isso, por sua vez, pode revolucionar nossa compreensão dos sistemas complexos de matéria condensada e da química.