Resolvendo problemas anteriormente insolúveis: um novo tipo de computador quântico analógico

Sep 04, 2023

Por UCD Research & Innovation, 10 de março de 2023

Os computadores quânticos analógicos são um tipo de computador quântico que opera usando variáveis ​​contínuas, como a amplitude e a fase de uma função de onda quântica, para realizar cálculos.

Os físicos criaram um novo tipo de computador quântico analógico capaz de resolver problemas físicos desafiadores que os supercomputadores digitais mais poderosos não conseguem resolver.

A groundbreaking study published in Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> A Nature Physics, de uma equipe de cientistas da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, e da University College Dublin (UCD), na Irlanda, revelou que um novo tipo de computador analógico altamente especializado, equipado com componentes quânticos em seus circuitos, pode resolver problemas complexos da física quântica. que antes estavam fora de alcance. Se esses dispositivos puderem ser ampliados, eles têm o potencial de fornecer informações sobre alguns dos problemas não resolvidos mais significativos da física.

Por exemplo, cientistas e engenheiros há muito tempo buscam uma compreensão mais profunda da supercondutividade. Atualmente, materiais supercondutores, como os utilizados em máquinas de ressonância magnética, trens de alta velocidade e redes elétricas de longa distância com eficiência energética, funcionam apenas em temperaturas extremamente baixas, dificultando suas aplicações mais amplas. O objetivo final da ciência dos materiais é descobrir materiais que exibam supercondutividade à temperatura ambiente, o que revolucionaria seu uso em uma série de tecnologias.

Imagem de micrografia do novo Quantum Simulator, que apresenta dois componentes semicondutores de metal de tamanho nano acoplados embutidos em um circuito eletrônico. Crédito: Pouse, W., Peeters, L., Hsueh, CL et al. Simulação quântica de um ponto crítico quântico exótico em um circuito Kondo de carga de dois locais. Nat. Física (2023)

O Dr. Andrew Mitchell é o diretor do Centro de Engenharia Quântica, Ciência e Tecnologia da UCD (C-QueST), físico teórico da Escola de Física da UCD e co-autor do artigo. Ele disse: "Certos problemas são simplesmente complexos demais até mesmo para os computadores clássicos digitais mais rápidos resolverem. A simulação precisa de materiais quânticos complexos, como os supercondutores de alta temperatura, é um exemplo realmente importante - esse tipo de computação está muito além das capacidades atuais porque do tempo de computação exponencial e dos requisitos de memória necessários para simular as propriedades de modelos realistas.

O Dr. Andrew Mitchell é um físico teórico da University College Dublin, possui um Laureate Award do Irish Research Council e é o Diretor do UCD Centre for Quantum Engineering, Science, and Technology (C-QueST). Crédito: UCD Media: foto de Vincent Hoban

"However, the technological and engineering advances driving the digital revolution have brought with them the unprecedented ability to control matter at the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"nanoscale. This has enabled us to design specialized analog computers, called ‘Quantum Simulators,’ that solve specific models in quantum physics by leveraging the inherent quantum mechanical properties of its nanoscale components. While we have not yet been able to build an all-purpose programmable quantum computer with sufficient power to solve all of the open problems in physics, what we can now do is build bespoke analog devices with quantum components that can solve specific quantum physics problems."/p>

But to solve quantum physics problems, the devices need to involve quantum components. The new Quantum Simulator architecture involves electronic circuits with nanoscale components whose properties are governed by the laws of quantum mechanics. Importantly, many such components can be fabricated, each one behaving essentially identically to the others. This is crucial for analog simulation of quantum materials, where each of the electronic components in the circuit is a proxy for an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"atom being simulated and behaves like an ‘artificial atom’. Just as different atoms of the same type in a material behave identically, so too must the different electronic components of the analog computer./p>