Komputery kwantowe są lepsze do symulacji niż klasyczne. Ale jak pozbyć się szumu?

Fizycy wykorzystują komputery kwantowe do symulacji materiałów kwantowych – to ważny krok w zwiększeniu efektywności obliczeń kwantowych.

Na rewolucję związaną z komputerami kwantowymi czekają chyba wszyscy, ale tak naprawdę nikt nie jest w stanie powiedzieć, kiedy naprawdę się ona zmaterializuje. Do komercjalizacji komputerów kwantowych jest jeszcze długa droga, ale każde kolejne osiągnięcie i odkrycie, to krok w stronę realizacji tego celu. Szczegóły badań można przeczytać w Physical Review X Quantum.

Naukowcy z Argonne National Laboratory przeprowadzili kwantowe symulacje defektów spinowych, czyli specyficznych zanieczyszczeń w materiałach, które mogą stanowić podstawę wielu technologii kwantowych. W nowych badaniach poprawiono dokładność obliczeń komputerów kwantowych poprzez korektę występujących szumów.

Chcemy dowiedzieć się, jak korzystać z nowych technologii obliczeniowych, które dopiero powstają. Opracowanie solidnych strategii we wczesnych dniach obliczeń kwantowych jest ważnym pierwszym krokiem do zrozumienia, jak efektywnie wykorzystywać te maszyny w przyszłości.Prof. Giulia Galli z Argonne National Laboratory

Badania zostały przeprowadzone w ramach Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), programu DOE w zakresie nauki o materiałach obliczeniowych, a także Q-NEXT, Narodowego Centrum Badań Informatyki Kwantowej DOE.

Powodem, dla którego przeprowadzamy tego rodzaju symulacje, jest chęć uzyskania fundamentalnego zrozumienia właściwości materiałów, a także podpowiedzenia eksperymentatorom, jak ostatecznie lepiej zaprojektować materiały dla nowych technologii. Wyniki eksperymentalne otrzymane dla układów kwantowych są często dość skomplikowane i mogą być trudne do zinterpretowania. Posiadanie symulacji jest ważne, aby pomóc w interpretacji wyników eksperymentalnych, a następnie przedstawić nowe przewidywania.Prof. Giulia Galli

Symulacje kwantowe przez długi czas wykonywano na tradycyjnych komputerach, ale komputery kwantowe mogą być znacznie lepszym rozwiązaniem. Są one w stanie poradzić sobie z problemami, z którymi nie radzą sobie nawet najpotężniejsze istniejące maszyny. Monitorowanie defektów spinowych to sposób na sprawdzenie możliwości komputerów kwantowych w rzeczywistości.

Zdecydowana większość obliczeń z użyciem komputerów kwantowych w dzisiejszych czasach odbywa się na układach modelowych. Modele te są interesujące w teorii, ale symulacja rzeczywistego materiału będącego przedmiotem zainteresowania eksperymentalnego jest bardziej wartościowa dla całego środowiska naukowego.Prof. Giulia Galli

Czytaj też: Nowy nadprzewodnik przyspieszy komputery kwantowe 400 razy. Jego twórca przewiduje wiek nadprzewodników

Obliczenia wykonywane na komputerach kwantowych napotyka na problem, którego nie doświadcza się w przypadku klasycznych komputerów – zjawisko znane jako szum sprzętowy. To oznacza, że wartości mogą się nieznacznie różnić od 4, za każdym razem, gdy zadamy pytanie: „Ile to jest 2 plus 2?”. Zrozumienie, jak radzić sobie z szumem w komputerach kwantowych dla realistycznych symulacji, jest ważnym celem dla przyszłych badań.

Możemy przewidywać, że w przyszłości będziemy mieć bezszumowe komputery kwantowe – nauka, jak wyeliminować lub anulować szum w naszej symulacji, nauczy nas również, czy przewaga kwantowa może stać się rzeczywistością i dla jakich problemów w naukach materiałowych.Prof. Giulia Galli