Правила квантової механіки описують, що елементарні частинки діють зовсім інакше, ніж звичні нам речі у світі навколо нас. Вчені досягли прогресу в розробці правил, необхідних для опису квантового світу і створення більш досконалих технологій, але деякі з цих правил настільки складні, що ухиляються від експериментальної перевірки.
З появою квантових комп'ютерів відкритого доступу вчені Чиказького університету побачили можливість провести дуже незвичайний експеримент для перевірки деяких з цих квантових принципів. Їх дослідження, яке з'явилося в журналі «Nature Communications Physics», використовує квантовий комп'ютер, щоб виявити фундаментальні істини про квантову поведінку електронів у молекулах.
"Квантові обчислення - це дійсно захоплююча область для вивчення фундаментальних питань. Вона дозволяє нам спостерігати аспекти квантової теорії, які абсолютно недосяжні на класичних комп'ютерах ", - сказав професор Девід Мацціотті, автор статті.
Одне з правил квантової механіки, яке називається принципом виключення Паулі, говорить про те, що два електрони не можуть одночасно займати одне і те ж положення в просторі. У багатьох випадках електрони в молекулі відчувають додаткові обмеження на їх місце розташування; вони відомі як узагальнені обмеження Паулі. «Ці правила визначають спосіб формування всіх молекул і матерії», - сказав Девід Мацціотті.
У своєму дослідженні вчені створили набір алгоритмів, які змушують комп'ютер IBM Experience Q випадковим чином генерувати квантові стани в триелектронних системах, а потім вимірювати, де електрони найбільш ймовірно розташовані.
"Припустимо, що узагальнені обмеження Паулі не відповідають дійсності: тоді в цьому сценарії приблизно половина квантових станів буде демонструвати порушення ", - кажуть дослідники. Замість цього, у багатьох сформованих квантових станах вони виявили, що порушення узагальнених обмежень Паулі відбуваються дуже рідко за схемою, що відповідає шуму в квантовому ланцюгу.
За словами вчених, результати дають надійну експериментальну перевірку.
«Найпростіші узагальнені обмеження Паулі були виявлені теоретично на класичному комп'ютері IBM на початку 1970-х років, тому цілком доречно, що вперше вони будуть експериментально перевірені на квантовому комп'ютері IBM», - сказав Мацціотті.
Це відкриття - ще один прорив у квантових дослідженнях в університеті Чикаго; їх недавні зусилля включали квантовий «телепорт», кроки до більш потужних квантових датчиків і роботу з розробки алгоритмів для нових квантових комп'ютерів.
Відкрите питання в тому, як узагальнені обмеження Паулі можуть бути корисні для поліпшення квантової технології. «Вони можуть внести внесок у досягнення більш ефективних квантових обчислень, а також в більш ефективні схеми виправлення помилок - критично важливі для квантових комп'ютерів для повного розкриття свого потенціалу», - сказав Девід Мадзіотті.