Skip to content
Home » Wetenschappers vergroten de realiteit om de code van kwantumsystemen te kraken

Wetenschappers vergroten de realiteit om de code van kwantumsystemen te kraken

    Abstract Quantum Physics Spin State Concept
    Abstract Quantum Physics Spin State Concept

    De onderzoekers reconstrueerden nauwkeurig het gedrag van kwantumsystemen met behulp van neurale netwerken en “spook”-elektronen.

    Natuurkundigen hebben een nieuwe methode ontwikkeld om kwantumverstrengeling tussen interagerende deeltjes te simuleren.

    Natuurkundigen vergroten (tijdelijk) de werkelijkheid om de code van kwantumsystemen te kraken.

    Het berekenen van het collectieve gedrag van de elektronen van een molecuul is nodig om de eigenschappen van een materiaal te voorspellen. Dergelijke voorspellingen zouden wetenschappers ooit kunnen helpen bij het maken van nieuwe medicijnen of het maken van materialen met gewenste eigenschappen zoals supergeleiding. Het probleem is dat elektronen ‘kwantummechanisch’ met elkaar verstrengeld kunnen raken, waardoor ze niet meer afzonderlijk te behandelen zijn. Voor elk systeem met meer dan een paar deeltjes, wordt het verstrengelde netwerk van verbindingen voor zelfs de krachtigste computers waanzinnig moeilijk om direct te ontrafelen.

    Nu hebben kwantumfysici van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland en het Center for Computational Quantum Physics (CCQ) van het Flatiron Institute in New York City een oplossing gevonden. Door extra ‘spook’-elektronen toe te voegen aan hun berekeningen die interageren met de werkelijke elektronen van het systeem, konden ze verstrengeling simuleren.

    Kwantumverstrengeling repliceren

    Een infographic die het proces beschrijft. Krediet: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

    In de nieuwe benadering wordt het gedrag van de toegevoegde elektronen gecontroleerd door een kunstmatige intelligentietechniek die een neuraal netwerk wordt genoemd. Het netwerk maakt aanpassingen totdat het een nauwkeurige oplossing vindt die terug in de echte wereld kan worden geprojecteerd, waardoor de effecten van verstrengeling opnieuw worden gecreëerd zonder de bijbehorende rekenkundige hindernissen.

    De wetenschappers publiceerden onlangs hun werk in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences.

    “Je kunt de elektronen behandelen alsof ze niet met elkaar praten, alsof ze geen interactie hebben”, zegt hoofdauteur Javier Robledo Moreno, een afgestudeerde student aan de CCQ en[{” attribute=””>New York University. “The extra particles we’re adding are mediating the interactions between the actual ones that live in the actual physical system we’re trying to describe.”

    In the new paper, the physicists demonstrate that their approach matches or outclasses competing methods in simple quantum systems.

    “We applied this to simple things as a test bed, but now we are taking this to the next step and trying this on molecules and other, more realistic problems,” says study co-author and CCQ director Antoine Georges. “This is a big deal because if you have a good way of getting the wave functions of complex molecules, you can do all sorts of things, like designing drugs and materials with specific properties.”

    The long-term goal, Georges says, is to enable researchers to computationally predict the properties of a material or molecule without having to synthesize and test it in a lab. They might, for instance, be able to test a slew of different molecules for a desired pharmaceutical property with just a few clicks of a mouse. “Simulating big molecules is a big deal,” Georges says.

    Robledo Moreno and Georges co-authored the paper with EPFL assistant professor of physics Giuseppe Carleo and CCQ research fellow James Stokes.

    The new work is an evolution of a 2017 paper in Science by Carleo and Matthias Troyer, who is currently a technical fellow at Microsoft. That paper also combined neural networks with fictitious particles, but the added particles weren’t full-blown electrons. Instead, they just had one property known as spin.

    “When I was [at the CCQ] in New York was ik geobsedeerd door het idee om een ​​versie van een neuraal netwerk te vinden die zou beschrijven hoe elektronen zich gedragen, en ik wilde echt een veralgemening vinden van de aanpak die we in 2017 introduceerden”, zegt Carleo. “Met dit nieuwe werk hebben we uiteindelijk een elegante manier gevonden om verborgen deeltjes te hebben die geen spins maar elektronen zijn.”

    Referentie: “Fermionische golffuncties van verborgen toestanden van neurale netwerken” door Javier Robledo Moreno, Giuseppe Carleo, Antoine Georges en James Stokes, 3 augustus 2022, Proceedings van de National Academy of Sciences.
    DOI: 10.1073/pnas.2122059119