Quantum Zeno Monte Carlo for computing observables

In de zoektocht naar het begrijpen van de bouwstenen van materie, hebben wetenschappers lang vertrouwd op krachtige computers om te simuleren hoe atomen en elektronen met elkaar interageren. Deze simulaties zijn essentieel voor het ontwerpen van nieuwe materialen, medicijnen en technologieën, maar ze lopen tegen een muur aan wanneer de systemen te complex worden. De vergelijkingen die deze minuscule deeltjes beheersen zijn zo ingewikkeld dat zelfs de meest geavanceerde supercomputers moeite hebben om ze nauwkeurig op te lossen. Onlangs is er een nieuwe generatie machines opgekomen, bekend als quantumcomputers, die beloven deze beperkingen te omzeilen door de vreemde regels van de quantumfysica te gebruiken om informatie te verwerken. Deze machines zijn echter momenteel fragiel. Ze zijn gevoelig voor fouten veroorzaakt door omgevingsruis en de imperfecte manier waarop ze complexe berekeningen opdelen in kleinere stappen. Dit heeft een moeilijke kloof gecreëerd: de computers zijn krachtig genoeg om interessant te zijn, maar te ruisgevoelig om volledig betrouwbaar te zijn voor de meest veeleisende taken.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe methode geïntroduceerd die is ontworpen om deze kloof te overbruggen, waardoor wetenschappers nuttige informatie kunnen extraheren uit deze imperfecte machines. Hun aanpak, genaand Quantum Zeno Monte Carlo genoemd, is een hybride techniek die klassieke computerkracht combineert met quantumverwerking. Het is specifiek gebouwd om de fouten te weerstaan die momenteel de vroege stadia van quantumapparaten teisteren. Door een slimme wiskundige truc waarbij herhaalde metingen worden gebruikt, kan de methode de energie en andere eigenschappen van quantumsystemen met hoge nauwkeurigheid berekenen, zelfs wanneer de onderliggende hardware fouten maakt. Dit werk suggereert dat we niet hoeven te wachten op perfecte, foutloze machines om complexe problemen op te lossen; in plaats daarvan kunnen we algoritmen gebruiken die veerkrachtig zijn tegen de ruis die momenteel bestaat.

Het verhaal van deze methode begint bij een fenomeen dat bekend staat als het quantum Zeno-effect. In eenvoudige termen beschrijft dit effect hoe een quantumtoestand "bevroren" kan worden in haar huidige staat als deze frequent genoeg wordt geobserveerd. Stel je een tol voor die constant wordt aangetikt; als de tikken snel genoeg gebeuren, heeft de tol misschien geen tijd om te wankelen of om te vallen, waardoor hij effectief rechtop blijft staan. In de quantumwereld voorkomt het herhaaldelijk controleren van een systeemtoestand dat het verandert in iets anders. De onderzoekers realiseerden zich dat ze dit principe niet alleen konden gebruiken om een toestand te bevriezen, maar ook om een systeem van een eenvoudig, bekend startpunt naar een complex, onbekend doelwit te leiden.

Traditioneel vereist het vinden van de specifieke energietoestand van een complex molecuul of materiaal een begin met een gok die al zeer dicht bij het antwoord ligt. Als de gok te ver afwijkt, faalt de computer in het vinden van de oplossing. Dit is een grote hindernis, omdat het voorbereiden van een dergelijke perfecte starttoestand vaak net zo moeilijk is als het oplossen van het probleem zelf. De nieuwe methode heft deze vereiste op. Het begint met een toestand die gemakkelijk te prepareren is en transformeert vervolgens stap voor stap de regels van het systeem, totdat het overeenkomt met de complexe doeltoestand. Bij elke stap wordt het systeem frequent gemeten. Deze constante observatie houdt het systeem op koers en voorkomt dat het afdwaalt naar de verkeerde toestand, zelfs als het startpunt geen perfecte match was.

Om dit op echte hardware te laten werken, moesten de onderzoekers een ander probleem oplossen: hoe om te gaan met de fouten die optreden wanneer een quantumcomputer de passage van de tijd simuleert. Deze fouten, bekend als Trotter-fouten, treden op omdat de computer de continue tijdsontwikkeling niet perfect kan uitvoeren; hij moet de tijd opdelen in kleine, discrete stukjes. Normaal gesproken stapelen deze kleine fouten zich op en verpesten ze het eindresultaat. Het team ontdekte dat door het antwoord als een ratio te berekenen — door één meting door een andere te delen — deze fouten elkaar opheffen. Het is vergelijkbaar met het wegen van twee objecten op een wiebelige weegschaal; als de schaal voor beide objecten met dezelfde hoeveelheid afwijkt, blijft het verschil tussen hun gewichten accuraat. In hun methode worden de teller en de noemer van de berekening op bijna dezelfde manier beïnvloed door de ruis, waardoor de ruis verdwijnt wanneer ze worden gedeeld, wat een schoon en accuraat resultaat oplevert.

De onderzoekers testten deze aanpak op een verscheidenheid aan systemen, variërend van eenvoudige enkelvoudige atoommodellen tot complexere moleculen zoals waterstof en modellen van elektroninteracties in vaste stoffen. Ze voerden simulaties uit op werkelijke quantumcomputers die beschikbaar zijn via het IBM-netwerk, die bekend staan om hun ruis en imperfecties. Ondanks de aanwezigheid van apparaatruis en de fouten door het opdelen van de tijd in stappen, produceerde de methode resultaten die met opmerkelijke precisie overeenkwamen met de bekende exacte waarden. Bijvoorbeeld, bij het berekenen van de energieniveaus van een waterstofmolecuul waren de resultaten accuraat binnen 0,02 eenheden energie. Toen ze een model met tot 12 qubits testten, leverde de methode nog steeds grondtoestandenergie-fouten op van zo laag als 0,015, een niveau van precisie dat andere geavanceerde methoden moeilijk bereikten zonder veel diepere, meer foutgevoelige circuits te gebruiken.

Het team vergeleek hun techniek ook met andere state-of-the-art methoden die ontworpen zijn voor quantumcomputers. Ze ontdekten dat hun aanpak een hogere precisie kon bereiken met kortere, eenvoudigere circuits, wat een cruciaal voordeel is voor de huidige hardware die geen lange programma's kan draaien zonder te falen. Hoewel de methode een groot aantal herhaalde metingen vereist om statistische fluctuaties uit te middelen, is deze afweging gunstig omdat het de noodzaak vermijdt voor diepe, complexe circuits die momenteel onmogelijk betrouwbaar te draaien zijn. De onderzoekers toonden aan dat deze veerkracht standhoudt, zelfs wanneer het systeem groeit, door succesvol grotere rasters van interagerende elektronen op een ruisloze simulator te simuleren en te bevestigen dat de methode goed schaalt.

Wat deze ontwikkeling bijzonder belangrijk maakt, is dat het niet afhankelijk is van het feit dat de machines perfect zijn. In plaats daarvan omarmt het de realiteit van de huidige technologie. Door het quantum Zeno-effect te gebruiken om het systeem te sturen en een ratio-gebaseerde berekening om fouten te elimineren, zet de methode de zwakheden van de huidige quantumcomputers om in beheersbare uitdagingen. De onderzoekers lieten zien dat ze niet alleen de energie van een systeem kunnen berekenen, maar ook de dynamische eigenschappen ervan, zoals de reactie op verschillende frequenties. Dit opent de deur naar het bestuderen van een breed scala aan fysische en chemische verschijnselen die voorheen buiten bereik lagen voor ruisgevoelige apparaten.

Het werk suggereert een nieuwe weg voorwaarts voor het vakgebied. In plaats van te wachten op de verre toekomst wanneer volledig fouttolerante quantumcomputers zijn gebouwd, kunnen wetenschappers vandaag de dag al beginnen met het oplossen van betekenisvolle problemen met de ruisgevoelige machines die nu beschikbaar zijn. De methode biedt een robuuste manier om de waarheid uit de fout te extraheren, en bewijst dat zelfs in een ruisige omgeving de fundamentele eigenschappen van materie ontdekt kunnen worden met de juiste aanpak. Naarmate de hardware blijft verbeteren, zal dit veerkrachtige algoritme waarschijnlijk een nog krachtiger hulpmiddel worden, dat helpt de geheimen van materialen en moleculen te ontsluiten die lang verborgen zijn gebleven voor klassieke computatie.