Güçlü etkileşime giren çok cisimli sistemlerin simülasyonu, fizik teorilerinin öngörülerini test etmeye ve yeni değerli bilgiler sağlamaya yardımcı olabileceğinden kuantum fiziği araştırmasının temel hedeflerinden biridir. Bir kuantum bilgisayar şirketi olan Quantinuum’daki araştırmacılar yakın zamanda, tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarını ve daha önce tanıtılan rastgele kuantum algoritmasını kullanarak, Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) modeli olarak adlandırılan iyi bilinen bir teorik modelin basitleştirilmiş bir versiyonunu simüle etti.
Simülasyonları, yayınlanan bir makalede özetlenmiştir. arXiv ön baskı sunucusu, klasik bilgisayarlar kullanılarak simüle edilemeyen kaotik kuantum sistemlerinin mevcut anlayışını geliştirir. Gelecekte, onların çalışmaları diğer karmaşık kuantum sistemlerinin ve teorik modellerin simülasyonuna katkıda bulunabilir.
Quantinuum’un Baş Ar-Ge Bilimcisi ve makalenin kıdemli yazarı Enrico Rinaldi, “SYK modeliyle iki nedenden dolayı ilgilendik: Bir yandan yoğun madde fiziğinde güçlü bir şekilde etkileşime giren fermiyonların prototip modeli, diğer yandan holografik dualite yoluyla laboratuvarda kuantum yerçekimini incelemek için en basit oyuncak modeli.” dedi.
“Kuantum bilgisayarlarımızın, bu çok önemli fiziksel modelin kuantum simülasyonlarını kıyaslayabilmesi gerektiğini düşündük çünkü bunlar, kuantum bilgisayarlarda hiçbir sistematik hata olmadan zamanın gelişimini simüle etmek için yeni bir algoritmaya çok uygundur: TETRIS.”
TETRIS, Quantinuum’da geliştirilen ve 2024’te kullanıma sunulan, kuantum bilgisayarlarda bir kuantum sisteminin zaman içinde nasıl değiştiğini hesaplamak için kullanılabilen bir algoritmadır. Bu algoritmanın temelindeki tasarım ve rastgeleleştirilmiş doğası, SYK modelini rastgele bağlantılarla (yani parçacıklar arasındaki etkileşimin gücünün sabit yerine rastgele olduğu) simüle etmek için çok uygundur.
Benzer şekilde, araştırmacılar tarafından kullanılan işlemci olan Quantinuum System Model H1, SYK modeli etkileşimlerini simüle etmek için mükemmel olan, kübitler arasında yüksek doğruluk ve hepsine bağlantı ile karakterize ediliyor.
Rinaldi, “SYK modeli, 4 cisim terimiyle (her bir etkileşim teriminde 4 fermiyon) hepsi bir arada (herkes birbiriyle çiftleşir) etkileşime giren N fermiyonlardan (elektronlar gibi) oluşur” diye açıkladı. “N=24 fermiyonlu modeli aldık ve teorinin başlangıç kuantum durumunun zaman gelişimini simüle etmek için Kuantinyum Sistem Modeli H1’de 12+1 kübit kullandık.”
Rinaldi ve meslektaşları, TETRIS algoritmasını kullanarak bu başlangıç kuantum durumunun evrimini simüle ettiler. Algoritma, modelin son durumunu yüksek doğrulukla hesaplamak için gerekli kuantum geçit/işlem sayısını dikkatli bir şekilde ayarlamalarına olanak tanıdı.
Rinaldi, “Ayrıca TETRIS, kuantum gürültüsüne karşı sonucun sağlamlığını artıran bir dizi doğal hata azaltma hilesine izin veriyor” dedi. “Bu algoritmik ilerlemelerin ve Sistem Modeli H1’in yüksek doğruluklu ve her şeyi kapsayan operasyonlarının birleşimi bugüne kadarki en büyük SYK simülasyonlarını gerçekleştirmemize olanak sağladı.”
Araştırmacılar tarafından simüle edilen SYK modeli, etkileşim halindeki 24 Majorana fermiyonundan (yani aynı zamanda kendi anti-parçacıkları olan parçacıklar) oluşur. Bu parçacıklar arasındaki etkileşimler karmaşık ve tahmin edilmesi zor olduğundan, bu tür sistemleri simüle etmek şimdiye kadar çok zorlayıcı olmuştur.
Rinaldi, “Çalışmamız, bu tür karmaşık etkileşimlerin, gürültüyü azaltmak için akıllıca yeni algoritmalar ve teknikler tasarlayarak Quantinuum’un mevcut nesil ticari kuantum cihazlarında simüle edilebileceğini ilk kez gösteriyor” dedi. “Daha büyük ölçekte, Fermi-Hubbard modeli veya kafes ölçüm teorileri gibi simüle edilmesi zor diğer sistemlerin yakında yol haritamızdaki kuantum bilgisayarlar tarafından simüle edilmesinin makul olduğunu gösteriyoruz.”
Rinaldi ve meslektaşlarının son çalışması, kaotik kuantum sistemlerinin simülasyonu ve incelenmesine yönelik önemli bir adıma işaret ediyor. Gelecekte, tuzaklanmış iyon kuantum işlemcisinin geliştirilmiş versiyonları ve kullandıkları rastgeleleştirilmiş algoritma, daha fazla sayıda parçacık ve daha karmaşık etkileşimler içeren diğer sistemlerin simülasyonunu mümkün kılabilir.
Rinaldi, “Şimdi Quantinuum Helios’un yeni yeteneklerinden ve Quantinuum’un yol haritasındaki gelecekteki kuantum bilgisayarlardan yararlanan SYK modellerini simüle etmek için yeni, geliştirilmiş algoritmalara bakıyoruz” diye ekledi. “Teorik açıdan bakıldığında, algoritmalarımız bu modeli simüle etmek için gereken devre karmaşıklığını ve geçit sayısını azaltacak. Son olarak donanım tarafında devre derinliğimizi ve geçit doğruluklarımızı daha da yükseğe çıkarmaya devam edeceğiz.”
Sizin için yazarımız Ingrid Fadelli tarafından yazılan, Gaby Clark tarafından düzenlenen ve Robert Egan tarafından gerçekleri kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
