Kvanttitietokoneilla on jo ajettu ensimmäisiä niille tässä kehitysvaiheessa sopivia tehtäviä. Kvanttimulaattoreilla on jo tutkittu elektronien ja fononien välistä vuorovaikutuksia ja kesällä Oak Ridge National Laboratoryn (ONRL) tutkijat simuloivat atomiydintä kvanttikonetta käyttäen.
Yksinkertainen mutta realistinen ydinfysiikan ongelma, kuten deuteronin sitovan energian laskeminen voidaan toteuttaa kvanttilaskennan avulla nykyisissä kvanttilaitteissa. Deuteron on deuteriumin eli raskaan vedyn ydin.
Toisaalla Itävaltalaisen Quantum Optics and Quantum Information in Innsbruckin (IQOQI) tutkijat simuloivat molekyylivedyn ja litiumhydridin energiasidoksia. Näin saavutettiin maailman ensimmäisen monikubittinen demonstraatio kvanttikemian laskennasta, joka on tehty loukkuun jääneiden ionien järjestelmällä. Tämä on yksi johtavista rakenneideoista kilpailussa kehittää universaali kvanttitietokone.
IQOQI:n tiimi käytti vain neljää kubittia 20-kubittisessa laitteessa algoritmien ajoon, joilla simuloitiin molekyylisen vedyn ja litiumhydridin energiasidoksia. Nämä suhteellisen yksinkertaiset molekyylit ovat hyvin ymmärrettyjä ja voidaan simuloida klassisia tietokoneita käyttäen. Näin voidaan kvanttilaskennan tulokset tarkistaa.
Äskettäin omalla annealing-tyyppisellä 2048-kubittisella laitteistollaan D-Wave Systems on tehnyt peräti kaksi merkittävää kvanttisimulointia. Heinäkuussa D-Wave kertoi kuinka yhtiön D-Wave 2000Q -kvanttitietokonetta käytettiin ennustamaan faasisiirtymiä tietyssä kvanttimekaanisessa järjestelmässä, jota kutsutaan poikittaiskenttä Ising-malliksi.
D-Wave -järjestelmä pystyy ohjelmoimaan yksittäiset vuorovaikutussuhteet spinien välillä. Aikaisempi toiminta muiden kvanttilaitteiden kanssa rajoittui tutkimusjärjestelmiin, joissa näitä vuorovaikutuksia ei voitu ohjelmoida erikseen.
Elokuussa D-Wave Systems julkaisi virstanpylvään tutkimuksessa, joka osoitti topologisen faasisiirtymän käyttäen 2048 kubitin hehkutuskuvanttikonettaan. Tämä materiaalien monimutkainen kvanttisimulointi on merkittävä askel kohti vähentää aikaa vievän ja kalliin fyysisen tutkimuksen ja kehityksen tarvetta.
Tutkimus "Topologisten ilmiöiden havainnointi ohjelmoitavalla 1800 kubitin hilalla" julkaistiin tiedelehti Naturessa. Tekijöiden mukaan työ on merkittävä edistysaskel alalla ja osoittaa että täysin ohjelmoitavaa D-Wave-kvanttitietokonetta voidaan käyttää tarkan kvanttijärjestelmän simulaattorina laajassa mittakaavassa.
Työssä käytettävillä menetelmillä voi olla laajoja vaikutuksia uusien materiaalien kehittämiseen. Tämä realisoisi Richard Feynmanin alkuperäisen vision kvantti-simulaattorista.
Yhtiön koneilla tehdyt kaksi tutkimustyötä osoittavat yhdessä D-Wave-kvanttikoneen joustavuutta ja monipuolisuutta materiaalien kvantti simuloinnissa muiden tehtävien lisäksi, kuten optimoinnin ja konekielisen oppimisen kehuu yhtiö saavutuksiaan.
Kiinteän aineen tutkimuksissa topologia on varsin nuori ala. Aiheesta myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 2016.
Tutkijoiden mukaan työ antaa toivoa, että tulevat kvanttisimulaattorit pystyvät tutkimaan monimutkaisempia ja huonosti ymmärrettyjä järjestelmiä niin, että kvantitatiivisten yksityiskohtien simulointituloksiin voidaan luottaa fyysisen järjestelmän mallina.
- Nature -lehdessä kuvattu tutkimus on maamerkki kvanttilaskennan alalla: ensimmäistä kertaa teoreettisesti ennustettu aineen tila toteutettiin kvantti-simuloinnissa ennen kuin se osoitettiin todellisessa magneettisessa materiaalissa, toteaa tohtori Mohammad Amin, työn keskeinen tutkija D-Wave Systemsillä.
- Tämä on merkittävä askel kohti kvanttisimulaation tavoitteen saavuttamista. Sellainen mahdollistaa materiaalisten ominaisuuksien tutkimisen ennen niiden tekemistä laboratoriossa, prosessi, joka voi olla nykyään erittäin kallis ja aikaa vievä.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 28.8.2018
