Nieuw ontwerp quantumcomputer om eigenschappen molecuul te voorspellen
Volgens het standaardrecept voor een quantumcomputer met Majorana’s als bouwstenen moet je ze omzetten in qubits. Maar een veelbelovende toepassing van quantum computing—quantumchemie—vereist dat deze qubits opnieuw transformeren, in zogenoemde fermionen. Natuurkundigen uit Leiden en Delft stellen voor om Majorana’s direct om te zetten in fermionen, voor efficiëntere berekeningen. Publicatie in Physical Review Letters op 31 mei.
Alles om ons heen is ofwel materie ofwel energie. Energie bestaat uit slechts één soort deeltjes: bosonen. Materie is gemaakt van het andere type fundamentele deeltje: fermionen. Een van de grote vragen in de wetenschap is hoe we de eigenschappen voorspellen van materie op moleculair niveau. Omdat moleculen leven volgens de wetten van de quantummechanica, noemen we dit veld quantumchemie. Efficiënte simulaties van quantumchemie is een taak die buiten het bereik ligt van de gewone computer, met quantumcomputers als veelbelovend alternatief. De standaardequivalent voor bits in quantumcomputers zijn qubits. Dat compliceert de zaak, want qubits zijn bosonen. Het is inefficiënt om fermionen (materie) te simuleren met bosonen (qubits), vanwege de verschillen tussen deze deeltjessoorten.
Majorana
Een exotisch voorstel voor het bouwen van qubits stoelt op het gebruik van zogenoemde Majorana zero-modes. Die zijn nuttig voor quantum computing vanwege hun intrinsieke robuustheid tegen ruis. Voorheen was quantum computing met Majorana’s gebaseerd op het combineren van vier of zes Majorana’s in een enkele qubit. Maar je hoeft Majorana’s niet per se te transformeren in qubits, want het zijn oorspronkelijk noch fermionen noch bosonen.
Fermionen
Leids natuurkundige Tom O’Brien en Piotr Rożek en Anton Akhmerov uit Delft hebben nu een methode ontworpen om quantumchemische problemen op te lossen door Majorana’s direct in fermionen om te zetten. Dit levert een win-winsituatie op. Aan de ene kant vereist hun nieuwe manier minder Majorana’s om hetzelfde molecuul te simuleren. Je hebt namelijk slechts twee Majorana’s nodig om een fermion te maken in plaats van vier of zes voor een qubit. Aan de andere kant vermijden ze de complicatie van het simuleren van fermionen (materie) met bosonen (qubits), en gebruiken daarom een simpeler en directer algoritme.
Publicatie
T. E. O’Brien, P. Rożek, and A. R. Akhmerov, ‘Majorana-based fermionic quantum computation’, Physical Review Letters