Neuer Quantencomputer-Algorithmus erschließt die Kraft atomarer Wechselwirkungen

Abbildung 1: Eine Illustration, die die beiden Zustände eines Cuprat-Hochtemperatursupraleiters zeigt. Ein neues Protokoll zur Konstruktion von Quantenschaltungen könnte bei Berechnungen von Quantenmaterialien wie Supraleitern helfen. Kredit: US-amerikanisches Energieministerium

Ein neuartiges Protokoll für Quantencomputer könnte komplexe Dynamiken von Quantenmaterialien reproduzieren.

RIKEN-Forscher haben einen hybriden quantencomputerbasierten Algorithmus erstellt, der effizient atomare Wechselwirkungen in komplexen Materialien berechnen kann. Diese Innovation ermöglicht den Einsatz kleinerer Quantencomputer oder herkömmlicher Computer zur Untersuchung von kondensierten Materiephysik und Quantenchemie und ebnet den Weg für neue Entdeckungen in diesen Bereichen.

Ein quantencomputerbasierter Algorithmus, der atomare Wechselwirkungen auf atomarer Ebene in komplexen Materialien effizient und genau berechnen kann, wurde von RIKEN-Forschern entwickelt. Er hat das Potenzial, ein beispielloses Verständnis in der kondensierten Materiephysik und der Quantenchemie zu bringen - eine Anwendung von Quantencomputern, die erstmals vom genialen Physiker Richard Feynman im Jahr 1981 vorgeschlagen wurde.

Quantencomputer versprechen eine verbesserte Rechenleistung und die Fähigkeit, Probleme zu lösen, die für herkömmliche Computer unerreichbar sind.

Kaoru Mizuta und seine Kollegen haben eine Methode demonstriert, um Zeitentwicklungsoperatoren auf begrenzten Quantencomputern zu implementieren. Kredit: 2023 RIKEN Center for Quantum Computing

Qubits, die Grundbausteine von Quantencomputern, sind im Wesentlichen winzige Systeme - Nanokristalle oder supraleitende Schaltkreise zum Beispiel -, die den Gesetzen der Quantenphysik unterliegen. Im Gegensatz zu Bits, die herkömmliche Computer verwenden, die entweder Einsen oder Nullen sein können, können Qubits gleichzeitig mehrere Werte haben. Es ist diese Eigenschaft von Qubits, die den Vorteil von Quantencomputern in Bezug auf Geschwindigkeit verleiht.

Eine unkonventionelle Art der Berechnung erfordert auch eine neue Perspektive darüber, wie Daten effizient verarbeitet werden können, um Probleme zu lösen, die für herkömmliche Computer zu schwierig sind.

Ein bemerkenswertes Beispiel hierfür ist der sogenannte Zeitentwicklungsoperator. "Zeitentwicklungsoperatoren sind riesige Gitter von Zahlen, die das komplexe Verhalten von Quantenmaterialien beschreiben", erklärt Kaoru Mizuta vom RIKEN Center for Quantum Computing. "Sie sind von großer Bedeutung, weil sie Quantencomputern eine sehr praktische Anwendung geben - ein besseres Verständnis der Quantenchemie und der Physik von Festkörpern."

Die bislang demonstrierten Prototypen von Quantencomputern haben Zeitentwicklungsoperatoren mithilfe einer relativ einfachen Technik namens Trotterization erreicht. Trotterization gilt jedoch als ungeeignet für die Quantencomputer der Zukunft, da sie eine enorme Anzahl von Quantengattern und somit viel Rechenzeit erfordert. Folglich haben Forscher versucht, Quantenalgorithmen für genaue Quantensimulationen zu schaffen, die weniger Quantengatter verwenden.

Jetzt hat Mizuta zusammen mit Kollegen aus ganz Japan einen wesentlich effizienteren und praktischeren Algorithmus vorgeschlagen. Eine Hybridmethode aus quanten- und klassischen Methoden, die Zeitentwicklungsoperatoren mit geringerem Rechenaufwand kompilieren kann, sodass sie auf kleinen oder sogar herkömmlichen Computern ausgeführt werden kann.

"Wir haben ein neues Protokoll zur Konstruktion von Quantenschaltungen etabliert, das Zeitentwicklungsoperatoren auf Quantencomputern effizient und genau reproduzieren kann", erklärt Mizuta. "Indem kleine Quantenalgorithmen mit den fundamentalen Gesetzen der Quantendynamik kombiniert werden, gelingt es unserem Protokoll, Quantenschaltungen für die Reproduktion von groß angelegten Quantenmaterialien zu entwerfen, jedoch mit einfacheren Quantencomputern."

Mizuta und sein Team wollen als Nächstes klären, wie die von ihrer Methode optimierten Zeitentwicklungsoperatoren auf verschiedene Quantenalgorithmen angewendet werden können, die die Eigenschaften von Quantenmaterialien berechnen können. "Wir gehen davon aus, dass diese Arbeit das Potenzial des Einsatzes kleiner Quantencomputer zur Untersuchung von Physik und Chemie aufzeigt."

Referenz: "Local Variational Quantum Compilation of Large-Scale Hamiltonian Dynamics" von Kaoru Mizuta, Yuya O. Nakagawa, Kosuke Mitarai und Keisuke Fujii, 5. Oktober 2022, PRX Quantum. DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.040302