Kvantdatorer, som bearbetar information med hjälp av kvantmekaniska effekter, har potential att överträffa klassiska datorer i vissa optimerings- och beräkningsuppgifter. Dessutom skulle de kunna användas för att simulera komplexa kvantsystem som inte kan simuleras med klassiska datorer.
Forskare vid Quantinuum och andra institut i Europa och USA har nyligen försökt simulera den digitaliserade dynamiken i kvantmodellen Ising, ett ramverk som beskriver kvantmagnetism i material, med hjälp av en avancerad kvantdator.
Deras simuleringar, som beskrivs i ett dokument på arXiv preprint server, ledde till observationen av ett övergående tillstånd som kallas Floquet prethermalization, där system verkar lokalt stabila innan de närmar sig full jämvikt, i regimer som är otillgängliga för klassiska datorer.
”Att simulera kontinuerlig tidsutveckling på digitala kvantdatorer har länge varit ett mål inom kvantberäkningsområdet, så vi är verkligen inte de första eller enda som vill göra detta”, säger Michael Foss-Feig, forskare vid Quantinuum och huvudförfattare till artikeln, till Phys.org.
”Att uppnå detta i en skala som konkurrerar med eller överträffar de bästa klassiska metoderna är dock mycket mer utmanande än att uppnå kvantfördelar i mer konstruerade scenarier, till exempel slumpmässig provtagning av kretsar, och har ännu inte uppnåtts.”
Förra året använde Foss-Feig och hans kollegor vid Quantinuum framgångsrikt en kvantdator som de utvecklat för att genomföra slumpmässiga kretssamplingar som inte kunde genomföras av klassiska datorer, med aldrig tidigare skådad tillförlitlighet. Denna prestation inspirerade dem att utforska kvantdatorernas potential för att lösa ett bredare spektrum av problem.
”Dessa tidiga resultat, tillsammans med framsteg i våra gate fidelities under det senaste året, övertygade oss om att på allvar börja fundera på om kvantsimulering bortom klassiskt kan vara inom räckhåll”, förklarar Foss-Feig.
Som en del av sin senaste studie använde forskarna H2, en kvantdator som utvecklats vid Quantinuum, för att simulera dynamiken i kvantmodellen Ising. Kvant-Ising-modellen är en standardmodell som används för att studera magnetism, kvantfasövergångar och emergent fysik i komplexa system.
Systemmodell av H2-kvantdatorn. Kredit: Quantinuum.
”I verkliga system går tiden smidigt, och för att simulera realistisk dynamik i en digital kvantdator måste man ’diskretisera’ denna smidiga tidsutveckling till den uppsättning kvantgrindar som man har tillgång till”, säger Foss-Feig. ”Diskretiseringen är aldrig perfekt, men vi gjorde det tillräckligt bra för att observera många av de kännetecken som kännetecknar verkliga fysiska system.
”I synnerhet är det den jämna tiden som i slutändan är ansvarig för att energi bevaras i verkliga system, vilket gör att de naturligt återgår till ett jämviktstillstånd efter att ha drivits långt ur jämvikt.”
De simuleringar som Foss-Feig och hans kollegor har gjort återger dynamiken i kontinuerlig tid digitalt och visar på så sätt hur kvantsystem utvecklas över tid. I sina simuleringar observerade forskarna karakteristiska signaturer för dessa system när de närmar sig ett jämviktstillstånd, t.ex. uppkomsten av en hydrodynamisk energitransport.
”Den viktigaste prestationen i det här arbetet är att vi lyckades hålla den här kontinuerliga tidsutvecklingen relativt brusfri (och därmed korrekt) ut till tidsskalor där även de bästa klassiska simuleringsmetoderna verkligen verkar kämpa”, säger Reza Haghshenas, en forskare vid Quantinuum som leder de klassiska benchmarkinginsatserna.
”Jag säger ’kämpar’ och inte ’misslyckas’, eftersom vi tror att det med betydande klassiska resurser (dvs. genom att köra de bästa klassiska algoritmerna med resurser i superdatorskala) mycket väl kan vara möjligt att utföra jämförelsevis exakta simuleringar klassiskt. Men vi tror också att detta är möjligt endast på grund av det begränsade antalet qubits (56) som vi använde i dessa simuleringar.”
Digitalisering av en kvantmagnet av Ising-typ. Kredit: arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2503.20870
Den nya studien av Foss-Feig och hans kollegor visar på kvantdatorernas potential för realistisk simulering av komplexa kvantsystem, som är svåra eller omöjliga att simulera med klassiska datorer. Forskarna arbetar nu med att vidareutveckla och skala upp kvantdatorer, vilket ytterligare skulle kunna öka deras förmåga att simulera kvantsystem.
Deras senaste arbete visar att den nuvarande grindtroheten hos H2-kvantdatorn redan är tillräckligt hög för att simulera fysiska system i regimer som är svåra att komma åt med klassiska datorer. Framtida kvantdatorer baserade på ett ännu större antal qubits skulle kunna simulera ännu större och mer komplexa system, vilket i sin tur skulle kunna förbättra förståelsen för deras underliggande fysik.
”Måttliga ökningar av systemstorleken (antalet qubits) bör möjliggöra simuleringar som är mer definitivt utom räckhåll för dagens klassiska metoder, och vi ser verkligen fram emot att släppa vårt nästa system, Helios, med 96 qubits”, säger Foss-Feig.
”Vi ser detta som en otroligt spännande tidpunkt. Många viktiga teknologier har vuxit fram ur vår (begränsade) förmåga att klassiskt simulera kvantsystem, och framsteg inom simuleringsmetoder kan få stora konsekvenser: Kvantdatorer kan snart komma att kunna validera och komplettera klassiska simuleringar i miljöer där klassiska metoder är ogenomförbara eller otillförlitliga.”
Mer information: Reza Haghshenas et al, Digital quantum magnetism at the frontier of classical simulations, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2503.20870
