Demonstration of subspace-search variational quantum eigensolver using photonic orbital angular momentum qudits

Um die materielle Welt zu verstehen, müssen Wissenschaftler oft nicht nur wissen, wie Atome stillstehen, sondern auch, wie sie sich verhalten, wenn sie angeregt werden. Wenn ein Molekül Energie absorbiert, springen seine Elektronen auf höhere Niveaus, wodurch sogenannte angeregte Zustände entstehen. Diese flüchtigen Momente sind verantwortlich für das Leuchten eines Glühwürmchens, die Farbe eines Sonnenuntergangs und die chemischen Reaktionen, die das Leben antreiben. Während Computer sehr gut darin geworden sind, die Energie von Atomen in ihrem ruhigen, ruhenden Zustand zu berechnen, blieb die Bestimmung der Energie dieser angeregten Zustände ein hartnäckiges Problem. Klassische Computer haben mit der Komplexität dieser höheren Energieniveaus zu kämpfen und liefern oft unzuverlässige Ergebnisse. Diese Einschränkung hat Forscher dazu veranlasst, sich nach Quantencomputern umzusehen – Maschinen, die die seltsamen Regeln der Quantenphysik nutzen, um Probleme zu lösen, die für traditionelle Supercomputer zu schwer sind. Die heute verfügbaren Quantencomputer sind jedoch noch klein und fehleranfällig, was es schwierig macht, die komplexen Berechnungen durchzuführen, die zur Bestimmung dieser angeregten Zustände erforderlich sind.

Ein Forschungsteam hat nun einen neuen Weg demonstriert, um dieses Problem mithilfe von Licht anzugehen. Es gelang ihnen, eine Technik namens „subspace-search variational quantum eigensolver“ einzusetzen, um die Energieniveaus angeregter Zustände in einem hochdimensionalen Raum zu finden. Anstatt sich auf die fragilen, fehleranfälligen Methoden zu verlassen, die normalerweise zusätzliche Helfer-Teilchen benötigen, um Zustände zu vergleichen, verwendeten sie einen gemeinsamen Schaltkreis, um mehrere Zustände gleichzeitig zu verarbeiten. Durch die Kodierung von Informationen in die wirbelnde Bewegung von Lichtteilchen konnten sie die Energien eines einfachen Moleküls und einer Kette magnetischer Atome abschätzen. Diese Arbeit zeigt, dass die Verwendung von Photonen zur Informationsübertragung einen praktischen und effizienten Weg darstellt, um komplexe chemische Prozesse zu simulieren, die zuvor unerreichbar waren.

Die Kernherausforderung in diesem Bereich besteht darin, dass das Finden des niedrigsten Energiezustands eines Systems für Quantenalgorithmen relativ einfach ist, das Finden der nächsten paar Energieniveaus darüber jedoch viel schwieriger. Traditionelle Methoden erfordern oft, dass der Computer eine Reihe von empfindlichen Vergleichen zwischen verschiedenen Zuständen durchführt, ein Prozess, der unglaublich schwierig wird, wenn das System größer wird. Um dies zu umgehen, wandten sich die Forscher einer Methode zu, die als „subspace-search variational quantum eigensolver“ bekannt ist. Dieser Ansatz ermöglicht es dem Computer, mehrere Energieniveaus gleichzeitig zu suchen, indem er einen Satz distinkter, nicht überlappender Startpunkte vorbereitet und diese durch denselben Optimierungsprozess laufen lässt. Der Schlüssel zum Erfolg auf den heutigen unvollkommenen Maschinen lag darin, einen Weg zu finden, diese distinkten Startpunkte vorzubereiten, ohne tiefgreifende, komplexe Sequenzen von Operationen zu benötigen, die zu viele Fehler einführen würden.

Das Team entschied sich dafür, Photonen, oder Lichtteilchen, als ihre Quantenbits zu verwenden. Speziell nutzten sie eine Eigenschaft des Lichts namens Bahndrehimpuls (Orbital Angular Momentum), den man sich als das Drehen des Lichts um seine eigene Achse wie ein Korkenzieher vorstellen kann. Durch die Formung des Lichts mit speziellen holografischen Mustern konnten sie verschiedene „Drehungen“ erzeugen, die als distinkte, orthogonale Zustände fungierten. In diesem Zusammenhang bedeutet orthogonal einfach, dass die Zustände völlig unabhängig voneinander sind, wie verschiedene Kanäle auf einem Radio, die sich nicht gegenseitig stören. Diese Methode ermöglichte es ihnen, mehrere Eingangs-Zustände direkt und effizient vorzubereiten, wodurch die tiefen, fehleranfälligen Gate-Sequenzen vermieden wurden, die andere Quantencomputing-Plattformen plagen.

In ihrem Experiment richteten die Forscher ein System ein, bei dem ein Laser Paare von Einzelphotonen erzeugte. Ein Photon diente als Signal, um zu bestätigen, dass das andere bereit war, während das zweite Photon in den Quantenprozessor gesendet wurde. Im Inneren des Prozessors zeigten das Team spezifische holografische Muster auf einem räumlichen Lichtmodulator – einem Gerät, das die Form eines Lichtstrahls verändern kann. Diese Muster bereiteten das Photon in einem von mehreren spezifischen gedrehten Zuständen vor. Das Photon passierte dann einen zweiten Modulator, der die notwendigen Messungen durchführte, um seine Energieeigenschaften zu bestimmen. Ein klassischer Computer überwachte die Ergebnisse, passte die Einstellungen der Hologramme an und wiederholte den Zyklus, bis sich die Energiewerte nicht mehr änderten, was anzeigte, dass die korrekten Antworten gefunden worden waren.

Das Team testete diesen Ansatz an zwei verschiedenen Systemen. Zuerst modellierten sie ein einfaches Molekül aus einem Heliumatom und einem Wasserstoffatom, bekannt als HeH+. Es gelang ihnen, die Energien für vier verschiedene Niveaus dieses Moleküls abzuschätzen, einschließlich seines Grundzustands und drei angeregter Zustände, und sie berechneten die Energiedeviationen zwischen ihren experimentellen Schätzungen und den theoretischen Werten. Dann wandten sie die Methode auf ein komplexeres System an: eine Kette von acht magnetischen Atomen, die miteinander interagieren, wobei sie die Energien der angeregten Zustände dieser achtdimensionalen Heisenberg-Kette schätzten. In beiden Fällen lieferten die experimentellen Ergebnisse Schätzungen für die Zielenergieniveaus, was bewies, dass die Methode selbst dann funktioniert, wenn die Größe des Systems zunimmt.

Diese Demonstration ist bedeutend, da sie zeigt, dass hochdimensionale Quantensysteme ohne den hohen Overhead an zusätzlicher Hardware oder komplexen Fehlerkorrekturschritten untersucht werden können. Durch die Nutzung der natürlichen Eigenschaften des Lichts zur Kodierung von Informationen schufen die Forscher eine skalierbare Architektur, die gut auf die aktuelle Generation von Quantengeräten zugeschnitten ist. Die Fähigkeit, die Energien angeregter Zustände genau vorherzusagen, öffnet die Tür zu einem besseren Verständnis chemischer Reaktionen und Materialeigenschaften, was potenziell zur Entdeckung neuer Medikamente oder effizientererer Solarzellen führen kann. Die Arbeit bestätigt, dass photonische Systeme, die Licht anstelle von Elektrizität zur Informationsverarbeitung nutzen, ein lebensfähiger und ressourceneffizienter Weg zur Lösung einiger der schwierigsten Probleme in Chemie und Physik sind.