Simulando infinitas partículas caóticas usando um computador quântico

Computador quântico usado neste trabalho. a, Seção da armadilha de superfície de eletrodo segmentado Quantinuum H1-1, mostrando cinco zonas de porta em roxo (extensões de cristal de íons de 750 μm de largura e cinturas de feixe de laser não são desenhadas em escala). O computador opera de forma semelhante ao descrito em outro lugar (exceto com a operação de porta paralela nas três zonas de porta central (G2–G4)), com íons qubit 171Yb+ (verde) e íons refrigerantes 138Ba+ (branco) armazenados em dois íons ou cristais de quatro íons. O emparelhamento arbitrário de qubits é obtido transportando íons ao longo da nula de radiofrequência linear (linha tracejada) 70 μm acima da superfície. b, O resfriamento do estado fundamental simpático seguido pelo nosso portão Mølmer-Sørenson de dois qubits e insensível à fase é implementado em paralelo através de G2-G4 nas configurações de cristal Yb-Ba-Ba-Yb. Cada cristal tem aproximadamente 8 μm de extensão, e os lasers de resfriamento e gate (comprimentos de onda, 493 e 368 nm, respectivamente) têm cinturas de feixe nominais de 17,5 μm. c, Fidelidades médias típicas (ou seja, representativas durante a coleta de dados) de portas de qubit único (SQ), portas de dois qubits (TQ) e preparação e medição de estado combinada (SPAM) realizadas por meio de benchmarking aleatório. Crédito:Física da Natureza (2022). DOI:10.1038/s41567-022-01689-7

Uma equipe de pesquisadores da Quantinuum, trabalhando com um colega da Universidade do Texas, em Austin, desenvolveu uma maneira de simular infinitas partículas caóticas usando um computador quântico rodando com um número limitado de qubits. Em seu artigo publicado na revista Nature Physics , o grupo descreve sua técnica.
Para saber mais sobre como as moléculas se comportam em materiais, os pesquisadores criaram estratégias para simular seu comportamento em um computador. Tais tentativas funcionaram bem com operações simples, mas tiveram problemas ao simular complexidade, como uma linha infinitamente longa de partículas em interação durante um determinado período de tempo. As tentativas em supercomputadores tradicionais falharam, e os pesquisadores teorizaram que um computador quântico poderia fazer o trabalho muito bem. Neste novo esforço, os pesquisadores descobriram que é realmente o caso.

Os pesquisadores afirmam que a chave para executar um algoritmo capaz de resolver esse problema se resumia a um design que não apenas realizasse as operações necessárias para executar a simulação, mas também adicionasse código que permitiria que tal simulação fosse executada com muito poucos qubits. Uma vez que eles tinham um algoritmo que eles achavam que funcionaria, a equipe voltou-se para o hardware. Eles escolheram uma máquina usando qubits representados por átomos de itérbio – e alteraram o número de qubits que foram executados de três para 11.

Os pesquisadores descobriram que foram capazes de executar seu algoritmo com um número tão pequeno de qubits porque construíram um sistema que reciclava os qubits – quando um qubit estava sendo usado, aqueles que já haviam sido usados eram redefinidos para seu estado original e, em seguida, usado novamente - uma técnica chamada dinâmica holográfica. Este processo foi repetido durante a execução da simulação. Para testar o sistema, os pesquisadores fizeram uma simulação de um processo que já havia sido verificado por outras técnicas. A equipe planeja testar o sistema com uma simulação que não pode ser demonstrada usando um supercomputador convencional. + Explorar mais