Квант света для создания нового квантового симулятора. Представьте, что вы застряли в лабиринте и хотите найти выход. Как бы вы поступили? Ответ – методом проб и ошибок. Так работают традиционные компьютеры с классическими алгоритмами, чтобы найти решение сложной проблемы. Теперь подумайте: что, если по волшебству вы смогли клонировать себя в несколько версий, чтобы вы могли пройти по всем различным путям одновременно? Вы найдете выход почти мгновенно.

Группа студентов в Центре экстремальной и квантовой фотоники Макса Планка при Университете Оттавы. Фото: Университет Оттавы

Оказывается, мы говорим не о магии, мы говорим об атомных и субатомных частицах. Например, электрон может находиться в нескольких местах одновременно. Это фундаментальный принцип природы, известный в квантовой механике как принцип суперпозиции.

Теперь представьте, если мы воспользуемся этим принципом и применим его к нашим классическим симуляторам и компьютерам. Представьте, насколько значительно мы были бы эффективнее обрабатывать информацию!

Это принцип квантовых компьютеров и квантовых симуляторов. По сути, квантовые компьютеры используют способность субатомных частиц существовать более чем в одном месте одновременно.

Квантовые симуляторы не только хороши для эффективности во время обработки, но и являются «естественным» выбором для моделирования простых и сложных систем в природе. Это является прямым следствием того факта, что природа в конечном итоге управляется законами квантовой механики.

Квантовые симуляторы предоставляют нам прекрасную возможность симулировать фундаментальные аспекты природы и понимать их скрытую динамику, даже не глядя на сложности, возникающие из-за различных частиц и их взаимодействий. Именно это является причиной исследований профессора Эбрагима Карими и его команды.

Команда Карими имитирует периодические и замкнутые структуры в природе, такие как кольцевые молекулы и кристаллические решетки, используя квантово-механические свойства света. Результаты могут помочь нам понять динамику, связанную с такими системами, а также открыть возможность для разработки эффективных квантовых компьютеров на основе фотонов.

Команда Карими успешно создала и эксплуатировала первый в мире квантовый симулятор, разработанный специально для моделирования циклических (кольцеобразных) систем. Квантовый симулятор имитирует квантовую систему. Команда использовала квант света (фотон) для имитации квантового движения электронов внутри колец, состоящих из разного количества атомов. Результаты эксперимента показали, что физика кольцевых систем принципиально отличается от физики линейных.

При этом команда разработала мощную экспериментальную технику для моделирования широкого класса атомных систем и открыла новое окно для изучения многих возможностей, возникающих в результате ее работы.

«Мы ожидаем, что в течение короткого периода времени наши исследования окажут очень большое влияние на различные дисциплины, от медицины до информатики, от органической химии и биологии до материаловедения и фундаментальной физики», – говорит доктор Фаршад Неджадсаттари. один из докторантов Карими, который был частью проекта.

В квантовом симуляторе квантовая частица, которой легко управлять и которая физически хорошо понятна (в нашем случае частица света, фотон), может распространяться внутри системы, разработанной так, чтобы она была похожа на ту, которая моделируется.

Некоторые интересные открытия из этого эксперимента включают в себя поиск конкретных способов распределения частицы по кольцу, чтобы распределение никогда не менялось при распространении частицы, а также обнаружение случаев, когда частица сначала распространяется по кольцу, а затем вновь появляется в месте, где это было первоначально помещено. Это никогда не наблюдалось экспериментально ни в одном квантовом симуляторе.

С тех пор, как методы квантового моделирования станут более зрелыми и сложными, синтез новых материалов, химических веществ и лекарств будет значительно упрощен. Квантовый симулятор поможет предоставить всю необходимую информацию в мгновение ока.

По материалам phys.org