Tomaž Prosen z ekipo Googlovega laboratorija do preboja v kvantni fiziki

Kvantni računalniki so po mnenju matematičnega fizika in profesorja na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani (UL) Tomaža Prosena ena od tehnologij prihodnosti. Temeljijo na osnovnih načelih kvantne mehanike in operacije izvajajo s kvantnimi biti oz. kubiti. V primerjavi s klasičnimi računalniki so v principu veliko bolj zmogljivi.

Čeprav v svetu raziskovalci neprestano izvajajo poskuse praktične uporabe kvantnega računalnika v znanosti, pa se soočajo z izzivi, kot so občutljivost na napake in omejitve glede stabilnosti kvantnih bitov. Tokratna raziskava Prosena in preostale raziskovalne ekipe, ki so jo v četrtek objavili v prestižni znanstveni reviji Science, predstavlja uspešno izveden poskus praktične uporabe kvantnega računalnika za simulacijo kvantnega sistema.

Kot je za STA pojasnil Prosen, so uporabili računalnik Googlovega laboratorija Quantum AI na 46 superprevodnih kvantnih bitih in s skoraj zanemarljivimi napakami simulirali model kvantnega materiala, ki ga je sicer z običajnimi klasičnimi superračunalniki izjemno težko simulirati.

S kvantnim računalnikom so simulirali dinamiko modela, ki se v kvantni mehaniki in statistični fiziki uporablja za preučevanje magnetnih lastnosti materialov – dinamiko t. i. Heisenbergove spinske verige. Pri tem pa so dodatno odkrili tudi povsem nov tip transporta, ki je hitrejši od prevajanja toplote oz. difuzijskega transporta in počasnejši od zvočnih valov oz. balističnega transporta. Poimenovali so ga superdifuzijski transport.

Rezultati so potrdili prejšnje teoretične napovedi sodelavcev s fakultete. Že pred leti so Prosen, Marko Žnidarič, Enej Ilievski ter njihovi doktorski študenti teoretično napovedali obstoj takega tipa transporta, ki ga v marsičem opiše t. i. Kardar-Parisi-Zhangova enačba iz klasične statistične fizike, ki med drugim opisuje rast snežink, tokrat pa ga je Prosen z raziskovalno ekipo tudi eksperimentalno dokazal. Pomembneje pa je, da so v nekaterih lastnostih opazili tudi bistvena odstopanja od napovedi zgoraj omenjene enačbe. "S tem smo odkrili obstoj novega univerzalnostnega razreda neravnovesne statistične fizike, ki ga še ne poznamo in ga bomo morali še raziskati," je dejal Prosen.

"Odkritje predstavlja začetek nove ere raziskovanj v teoretični fiziki z uporabo kvantnega računalnika kot zares koristnega orodja za raziskovanje novih pojavov in konceptov. To me malo spominja na situacijo izpred 70 let, ko so po drugi svetovni vojni fiziki začeli uporabljati digitalne računalnike, kar je takrat odprlo ogromno novih področij v teoretični fiziki, na primer teorijo kaosa, fiziko solitonov in druge," je poudaril Prosen. Kot področje, kjer si lahko obetamo preboj s pomočjo kvantnih računalnikov, pa je izpostavil teorijo visokotemperaturnih superprevodnikov.

Prorektor za raziskovanje in razvoj na UL Anton Ramšak meni, da je objava v reviji potrdilo odličnega dela na univerzi na področju kvantnih tehnologij, ki so trenutno tudi na evropskem nivoju ena od prvih tehnoloških prioritet. "Pomembna je tudi za znanost, saj se je po dolgih letih pričakovanja in obetov kvantnega računalništva sedaj pojavil eden prvih pomembnih znanstvenih rezultatov, ki ne bi bil možen brez uporabe kvantnega računalnika," je dodal.