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

Per comprendere il mondo materiale, gli scienziati devono spesso sapere non solo come gli atomi rimangano fermi, ma anche come si comportano quando sono eccitati. Quando una molecola assorbe energia, i suoi elettroni saltano a livelli superiori, creando quelli che vengono chiamati stati eccitati. Questi momenti fugaci sono responsabili del bagliore di una lucciola, del colore di un tramonto e delle reazioni chimiche che alimentano la vita. Sebbene i computer siano diventati molto bravi a calcolare l'energia degli atomi nel loro stato di riposo e calma, determinare l'energia di questi stati eccitati è rimasto un problema ostico. I computer classici faticano con la complessità di questi livelli di energia più elevati, producendo spesso risultati inaffidabili. Questo limite ha spinto i ricercatori a guardare verso i computer quantistici, macchine che utilizzano le strane regole della fisica quantistica per risolvere problemi troppo difficili per i computer tradizionali. Tuttavia, i computer quantistici disponibili oggi sono ancora piccoli e soggetti a errori, rendendo difficile eseguire i calcoli complessi necessari per trovare questi stati eccitati.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un nuovo modo per affrontare questo problema utilizzando la luce. Sono riusciti a utilizzare una tecnica chiamata subspace-search variational quantum eigensolver per trovare i livelli di energia degli stati eccitati in uno spazio ad alta dimensionalità. Invece di fare affidamento sui metodi fragili e soggetti a errori che solitamente richiedono particelle ausiliarie aggiuntive per confrontare gli stati, hanno utilizzato un circuito condiviso per elaborare più stati contemporaneamente. Codificando le informazioni nel movimento rotatorio delle particelle di luce, sono stati in grado di stimare le energie di una molecola semplice e di una catena di atomi magnetici. Questo lavoro mostra che l'uso dei fotoni per trasportare l'informazione quantistica offre una via pratica ed efficiente per simulare processi chimici complessi che erano precedentemente fuori portata.

La sfida centrale in questo campo è che trovare lo stato di energia più basso di un sistema è relativamente semplice per gli algoritmi quantistici, ma trovare i successivi livelli di energia è molto più difficile. I metodi tradizionali richiedono spesso al computer di eseguire una serie di delicati confronti tra diversi stati, un processo che diventa incredibilmente difficile man mano che il sistema cresce. Per aggirare questo problema, i ricercatori si sono rivolti a un metodo noto come subspace-search variational quantum eigensolver. Questo approccio consente al computer di cercare diversi livelli di energia simultaneamente, preparando un insieme di punti di partenza distinti e non sovrapponibili e facendoli passare attraverso lo stesso processo di ottimizzazione. La chiave per far funzionare questo processo sulle attuali macchine imperfette è stata trovare un modo per preparare questi punti di partenza distinti senza necessitare di sequenze di operazioni profonde e complesse che introdurrebbero troppi errori.

Il team ha scelto di utilizzare i fotoni, o particelle di luce, come bit quantistici. Nello specifico, hanno utilizzato una proprietà della luce chiamata momento angolare orbitale, che può essere pensata come la luce che ruota attorno al proprio asse come un tappo di una bottiglia. Modellando la luce con particolari schemi olografici, sono stati in grado di creare diverse "torsioni" che agivano come stati distinti e ortogonali. In questo contesto, ortogonale significa semplicemente che gli stati sono completamente indipendenti l'uno dall'altro, come diversi canali di una radio che non interferiscono tra loro. Questo metodo ha permesso loro di preparare più stati di input in modo diretto ed efficiente, evitando le sequenze di porte profonde e soggette a errori che affliggono altre piattaforme di calcolo quantistico.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno allestito un sistema in cui un laser generava coppie di singoli fotoni. Un fotone fungeva da segnale per confermare che l'altro fosse pronto, mentre il secondo fotone veniva inviato nel processore quantistico. All'interno del processore, il team ha visualizzato specifici schemi olografici su un modulatore spaziale di luce, un dispositivo capace di cambiare la forma di un fascio luminoso. Questi schemi preparavano il fotone in uno dei vari stati torsionali specifici. Il fotone passava poi attraverso un secondo modulatore che eseguiva le misurazioni necessarie per determinare le sue proprietà energetiche. Un computer classico monitorava i risultati, regolava le impostazioni degli ologrammi e ripeteva il ciclo finché i valori di energia non smettevano di cambiare, indicando che erano stati trovati i risultati corretti.

Il team ha testato questo approccio su due sistemi diversi. Per prima cosa, hanno modellato una molecola semplice composta da un atomo di elio e un atomo di idrogeno, nota come HeH+. Sono riusciti a stimare con successo le energie per quattro diversi livelli di questa molecola, inclusi sia il suo stato fondamentale che tre stati eccitati, e hanno calcolato le deviazioni di energia tra le loro stime sperimentali e i valori teorici. Hanno poi applicato il metodo a un sistema più complesso: una catena di otto atomi magnetici che interagiscono tra loro, stimando le energie degli stati eccitati per questa catena di Heisenberg a otto dimensioni. In entrambi i casi, i risultati sperimentali hanno fornito stime per i livelli di energia bersaglio, dimostrando che il metodo funziona anche all'aumentare delle dimensioni del sistema.

Questa dimostrazione è significativa perché mostra che i sistemi quantistici ad alta dimensionalità possono essere esplorati senza l'onere di hardware aggiuntivo o complessi passaggi di correzione degli errori. Utilizzando le proprietà naturali della luce per codificare l'informazione, i ricercatori hanno creato un'architettura scalabile che è ben adatta alla generazione attuale di dispositivi quantistici. La capacità di prevedere accuratamente le energie degli stati eccitati apre la porta a una migliore comprensione delle reazioni chimiche e delle proprietà dei materiali, portando potenzialmente alla scoperta di nuovi farmaci o di celle solari più efficienti. Il lavoro conferma che i sistemi fotonici, che utilizzano la luce anziché l'elettricità per elaborare le informazioni, sono una via praticabile e ricca di risorse per risolvere alcuni dei problemi più difficili della chimica e della fisica.