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

Om de materiële wereld te begrijpen, moeten wetenschappers vaak niet alleen weten hoe atomen stilzitten, maar ook hoe ze zich gedragen wanneer ze worden geëxciteerd. Wanneer een molecuul energie absorbeert, springen de elektronen naar hogere niveaus, wat zogenaamde aangeslagen toestanden (excited states) creëert. Deze vluchtige momenten zijn verantwoordelijk voor de gloed van een vuurvliegje, de kleur van een zonsondergang en de chemische reacties die het leven aandrijven. Hoewel computers erg goed zijn geworden in het berekenen van de energie van atomen in hun rusttoestand, blijft het berekenen van de energie van deze aangeslagen toestanden een hardnekkig probleem. Klassieke computers worstelen met de complexiteit van deze hogere energieniveaus en produceren vaak onbetrouwbare resultaten. Deze beperking heeft onderzoekers ertoe gedreven om te kijken naar quantumcomputers, machines die de vreemde regels van de quantumfysica gebruiken om problemen op te lossen die te moeilijk zijn voor traditionele supercomputers. De quantumcomputers die vandaag de dag beschikbaar zijn, zijn echter nog klein en foutgevoelig, waardoor het moeilijk is om de complexe berekeningen uit te voeren die nodig zijn om deze aangeslagen toestanden te vinden.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier gedemonstreerd om dit probleem aan te pakken met behulp van licht. Ze gebruikten succesvol een techniek genaamd de subspace-search variational quantum eigensolver om de energieniveaus van aangeslagen toestanden te vinden in een hoogdimensionale ruimte. In plaats van te vertrouwen op de fragiele, foutgevoelige methoden die meestal extra hulpdeeltjes vereisen om toestanden te vergelijken, gebruikten ze een gedeeld circuit om meerdere toestanden tegelijk te verwerken. Door informatie te coderen in de draaiende beweging van lichtdeeltjes, waren ze in staat de energieën van een eenvoudig molecuul en een keten van magnetische atomen te schatten. Dit werk laat zien dat het gebruik van fotonen om quantuminformatie te dragen een praktische en efficiënte weg vooruit biedt voor het simuleren van complexe chemische processen die voorheen buiten bereik lagen.

De kernuitdaging in dit veld is dat het vinden van de laagste energietoestand van een systeem relatief eenvoudig is voor quantumalgoritmen, maar het vinden van de volgende paar energieniveaus omhoog veel moeilijker is. Traditionele methoden vereisen vaak dat de computer een reeks delicate vergelijkingen uitvoert tussen verschillende toestanden, een proces dat ongelooflijk moeilijk wordt naarms het systeem groter wordt. Om dit te omzeilen, stapte de onderzoekers over op een methode die bekend staat als de subspace-search variational quantum eigensolver. Deze benadering stelt de computer in staat om gelijktijdig naar verschillende energieniveaus te zoeken door een reeks onderscheidende, niet-overlappende startpunten voor te bereiden en deze door hetzelfde optimalisatieproces te leiden. De sleutel tot het laten werken hiervan op de huidige imperfecte machines was het vinden van een manier om deze onderscheidende startpunten voor te bereiden zonder dat daar diepe, complexe sequenties van operaties voor nodig waren die te veel fouten zouden introduceren.

Het team koos ervoor om fotonen, of lichtdeeltjes, te gebruiken als hun quantumbits. Specifiek maakten ze gebruik van een eigenschap van licht genaamd orbitale impulsmoment (orbital angular momentum), wat kan worden beschouwd als het draaien van het licht om zijn eigen as als een kurkentrekker. Door het licht te vormen met speciale holografische patronen, konden ze verschillende "draaiingen" creëren die fungeerden als onderscheidende, orthogonale toestanden. In deze context betekent orthogonaal simpelweg dat de toestanden volledig onafhankelijk van elkaar zijn, zoals verschillende kanalen op een radio die elkaar niet storen. Deze methode stelde hen in staat om meerdere inputtoestanden direct en efficiënt voor te bereiden, waardoor de noodzaak voor de diepe, foutgevoelige gate-sequenties die andere quantumcomputingplatforms teisteren, werd vermeden.

In hun experiment zetten de onderzoekers een systeem op waarbij een laser paren enkelvoudige fotonen genereerde. Eén foton diende als signaal om te bevestigen dat de andere klaar was, terwijl het tweede foton naar de quantumprocessor werd gestuurd. Binnen de processor toonde het team specifieke holografische patronen op een ruimtelijke lichtmodulator, een apparaat dat de vorm van een lichtstraal kan veranderen. Deze patronen bereidden het foton voor in een van de verschillende specifieke gedraaide toestanden. Het foton passeerde vervolgens een tweede modulator die de noodzakelijke metingen uitvoerde om de energie-eigenschappen te bepalen. Een klassieke computer monitorde de resultaten, paste de instellingen van de hologrammen aan en herhaalde de cyclus totdat de energiewaarden niet meer veranderden, wat aangaf dat de juiste antwoorden waren gevonden.

Het team testte deze benadering op twee verschillende systemen. Eerst modelleerden ze een eenvoudig molecuul bestaande uit een heliumatoom en een waterstofatoom, bekend als HeH+. Ze schatten succesvol de energieën voor vier verschillende niveaus van dit molecuul, inclus�ien zowel de grondtoestand als drie aangeslagen toestanden, en berekenden de energieafwijkingen tussen hun experimentele schattingen en theoretische waarden. Vervolgens pasten ze de methode toe op een complexer systeem: een keten van acht magnetische atomen die met elkaar interageren, waarbij ze de aangeslagen energieniveaus van deze achtdimensionale Heisenberg-keten schatten. In beide gevallen leverden de experimentele resultaten schattingen voor de doelenergieniveaus, wat bewees dat de methode werkt zelfs wanneer de omvang van het systeem toeneemt.

Deze demonstratie is significant omdat het laat zien dat hoogdimensionale quantumsystemen kunnen worden verkend zonder de zware overhead van extra hardware of complexe foutcorrectiestappen. Door de natuurlijke eigenschappen van licht te gebruiken om informatie te coderen, creëerden de onderzoekers een schaalbare architectuur die goed geschikt is voor de huidige generatie quantumapparaten. Het vermogen om aangeslagen energieniveaus nauwkeurig te voorspellen, opent de deur naar een beter begrip van chemische reacties en materiaaleigenschappen, wat potentieel kan leiden tot de ontdekking van nieuwe medicijnen of efficiëntere zonnecellen. Het werk bevestigt dat fotonische systemen, die licht gebruiken in plaats van elektriciteit om informatie te verwerken, een levensvatbaar en hulpbron-efficiënt pad zijn naar het oplossen van enkele van de moeilijkste problemen in de chemie en natuurkunde.