Kvanteteknologi kan revolutionere verden ved at løse problemer, som klassiske computere ikke kan håndtere. En lovende metode er såkaldt analog kvantesimulering, hvor forskere bygger fysiske modeller for at efterligne komplekse systemer. Ny forskning arbejder nu med nye ideer og koncepter, såsom kontrolleret energitab, for at overvinde udfordringerne. De fremskridt bringer verden tættere på praktiske, storskala kvantesimuleringer, hvilket kan føre til gennembrud inden for områder som lægemiddeludvikling eller udvikling af nye materialer.
Forestil dig at identificere potentielle lægemidelr til behandling af sjældne sygdomme på få timer eller simulere komplekse interaktioner mellem nogle af disse stoffer og dermed kunne forudsige bivirkninger - på een enkelt dag – en opgave, der engang tog år eller var næsten umulige med traditionelle metoder.
Kvanteteknologi kan gøre det scenarier til virkelighed. En kraftfuld metode er såkaldt analog kvantesimulering, hvor forskere efterligner adfærden af komplekse kvantesystemer. I en ny artikel beskriver Dylan Harley og hans kolleger en ny tilgang til at tackle udfordringerne ved kvantesimulering – en tilgang, der kan transformere, hvordan vi laver modeller af kemiske reaktioner eller udvikler banebrydende lægemidler med ekstraordinær hastighed.
"Vores undersøgelse bruger helt nye tilgange, såsom brugen af kontrolleret energitab – dissipation – for at tackle nøglespørgsmålene i denne form for kvantesimulering, hvilket kan gøre den både skalerbarhed og præcis. Det muliggør mere nøjagtige simuleringer af komplekse systemer uden behov for perfekt kontrol af processen, hvilket gør kvantesimulatorer både mere praktiske og mere effektive. Det gennembrud hjælper med at skubbe grænserne for, hvad der kan simuleres, og bringer os tættere på kvantesimuleringer i storskala," forklarer Dylan Harley, ph.d.-studerende ved Quantum for Life Centre, Institut for Matematiske Fag, Københavns Universitet, Danmark.
Kvantemæssige fordele
At simulere med naturens kvantesystemer har været en mangeårig udfordring fx i studiet af fysiske stoffer og forstå atomers og molekylers kvantekemiske opførsel. Klassiske computere kæmper med at kunne beskrive systemerne, fordi antallet af variable vokser eksponentielt. Her kommer kvantecomputere i spil - fordi energi og materie opfører sig kvantemekanisk på mikroskopisk skala.
"En af de mest lovende anvendelser af kvantecomputere er at simulere naturen - især de systemer, der beskrives indenfor fysik og kemi. Dette er meget svært at gøre med klassisk beskrivelser og udregninger, men kvantehardware tilbyder en naturlig fordel," siger Harley.
Kvantehardware er dog stadig i sin barndom. Fuldstændig fejlfri og skalerbare kvantecomputere er stadig under udvikling. Forskere undersøger forskellige typer af kvantesimuleringer for at omgå dette problem. Digital kvantesimulering bruger kvanteporte til at beskrive et systems udvikling, men dette kræver fuldstændig fejlfri computere, og de eksisterer ikke endnu.
Med analog kvantesimulering skaber man et fysisk system, der udvikler sig på samme måde som selve det system, som man vil måle på, og det kræver færre ressourcer. Dette gør metoden lovende for anvendelser - og op den korte bane.
"Analog simulering er mere som at bygge en legetøjsmodel, der naturligt udvikler sig på en måde, der efterligner det system, du prøver at simulere. Det kan sammenlignes lidt med at bygge en vindtunnel for at studere, hvordan en flyvinge opfører sig uden at behøve at konstruere hele flyet," forklarer Harley.
Skaleringsproblemet
Udfordringen er dog at opskalere de analoge simulatorer til at modellere meget komplekse systemer. På trods af deres potentiale står analoge kvantesimuleringer nemlig over for betydelige barrierer. Dylan Harley og hans kolleger fokuserer derfor på at forstå disse barrierer og finde løsninger.
Et endnu større problem er den præcision, der er nødvendig for at kontrollere interaktionerne mellem partikler i simulatoren. Når systemer vokser, bliver det hurtigt umuligt i praksis at opretholde præcision.
"Problemet er, at når størrelsen af systemet øges, vokser den nødvendige præcision og størrelsen af de nødvendige interaktioner også. Dette matches dseværre ikke af virkeligheden for, hvad der kan opnås eksperimentelt lige nu. Vi har kun et begrænset udvalg af energiskalaer og laserstyrker på de enheder, vi bruger. Så der er en grænse for, hvor præcist vi kan ramme interaktioner," siger Harley.
Dette skaleringsproblem gør det vanskeligt at få de eksisterende teoretiske rammer - beskrevet i de i den såkaldte Hamiltonske kompleksitetsteori - til at passe på virkelighedens systemer.
"Vi fandt ud af, at mange teoretiske resultater, som siger, at du kan simulere alt blot ved at justere lidt på nogle interaktioner, kræver fuldstændig urealistiske energiskalaer for de systemer, der er virkelig interessante. Det er derfor i praksis ikke muligt."
At gøre udfordringer til muligheder
For at løse udfordringerne udviklede Dylan Harley og kolleger en ny matematisk ramme, der tager højde for virkelighedens begrænsninger. Ved at anvende dissipation - kontrolleret energitab.
"Dissipation er, når et system mister energi til dets omgivelser gennem måling eller interaktion med miljøet. Normalt kan tab af energi lyde som noget negativt, fordi det kan gøre systemet mindre effektivt eller stabilt, men ved at forstå, hvordan det mister energi, kan vi bruge denne viden til mere effektivt at kontrollere og stabilisere systemet. Ved gentagne målinger "låse" systemet i en ønsket tilstand, og det trick gør det muligt for os at simulere komplekse interaktioner mere præcist," forklarer Harley.
Den fastlåste tilstand kalder vante Zeno-effekten. Selvom dissipation normalt fører til støj i klassiske systemer, kan det altså i kvantesystemer hjælpe med at stabilisere tilstanden og gøre det til et værdifuldt værktøj for simuleringer.
"Vi viste, at brugen af dissipation giver os mulighed for at komme uden om nogle af de barrierer, der forhindrer skalerbar simulering. Effekten betyder, at gentagne målinger af et system får det til at fryse sig fast i en bestemt tilstand. Vi kan derfor bruge det til at skabe interaktioner, der gør det muligt for os at simulere systemer på måder, der ellers ikke ville være mulige."
Den nye indsigt åbner op for nye muligheder og giver potentielt forskere mulighed for at simulere større systemer uden de ekstreme energiniveauer, der er nødvendige i totalt kontrollerede simulationer.
Konstant frem og tilbage
Den nye konstruktion viser nytten af at brug en hybrid - en blanding - af metoder i simulering, hvor man kombinerer analoge og digitale metoder. Selvom analog simulering har sine begrænsninger, kan digitale teknikker finjustere kontrol over bestemte aspekter af systemet. Den hybride tilgang kan være fremtiden for praktiske kvantesimulatorer.
Og selvom resultater stadig er baseret på matematik - og dermed teoretiske - giver de et nyt grundlag for fremtidige eksperimenter. Og et tæt samarbejde med eksperimentelle fysikere er her nøglen til at teste de nye ideer i virkelige systemer.
"For os er det konstant frem og tilbage mellem teori og eksperiment. Vi taler med eksperimentalister for at forstå, hvad der er muligt i praksis, og derefter bruger vi den viden til at forfine vores teoretiske modeller," siger Harley.
Holdets forskning afslørede altså både begrænsninger og nye muligheder. De demonstrerede, at traditionelle metoder står over for betydelige skalerings-problemer, men viste samtidig også, at dissipationen - det kontrollerede energitab - kan være en løsning.
"Vi udviklede matematiske teknikker til at bevise, at visse teoretiske tilgange simpelthen ikke kan fungere i det når man skalerer op. Men ved at udvide vores perspektiv og bruge de her energimæssige - dissipative - dynamikker, kan vi formentlig opnå ting, der ellers ikke ville være mulige," forklarer Harley.
Et kvantespring fremad
Anvendelserne af skalerbar kvantesimulering er enorme. På kort sigt kan teknikkerne tackle fundamentale problemer inden for fysik og materiale-videnskab, såsom hvordan elektroner opfører sig i faste stoffer.
"Når kvantesimulatorer bliver mere kraftfulde, kan de også anvendes på mere komplekse systemer og potentielt revolutionere områder som kvantekemi og molekylers dynamik og dermed hjælpe i fx lægemiddeludvikling," mener Harley.
Der er dog stadig mange udfordringer tilbage for at forstå kraften i nutidige analoge simulatorer.
"En af de største udfordringer er deres rigtighed. For hvis du bygger en simulator, der kan udføre beregninger ud over rækkevidden af klassiske computere, hvordan verificerer du så, at resultaterne er rigtige? Det er et fundamentalt spørgsmål, som vi stadig kæmper med," forklarer Harley.
På trods af udfordringerne er Dylan Harley håbefuld omkring fremtiden for kvantesimulering. Han mener, at hybridtilgange, der kombinerer analoge og digitale metoder, vil være vigtige for at maksimere potentialet af simulatorer på kort sigt.
"Der er et enormt potentiale her. Vi er der slet ikke ved målet endnu, men hvert skridt bringer os tættere på at forstå, hvordan vi designer praktiske, skalerbare kvantesimuleringer. Ved at tænke kreativt omkring de værktøjer, vi har – såsom den her brug af dissipation og hybridsystemer – kan vi skabe en reel fremgang mod dette ultimative mål," afslutter Dylan Harley.
