Un fenomeno di localizzazione aumenta l'accuratezza della risoluzione dei problemi quantistici a molti corpi con i computer quantistici. Questi problemi sono altrimenti impegnativi per i computer convenzionali. Ciò rende possibile la simulazione quantistica digitale utilizzando i dispositivi quantistici oggi disponibili.

I computer quantistici promettono di risolvere alcuni problemi computazionali esponenzialmente più velocemente di qualsiasi macchina classica. "Un'applicazione particolarmente promettente è la soluzione di problemi quantistici a molti corpi utilizzando il concetto di simulazione quantistica digitale, " dice Markus Heyl del Max Planck Institute for the Physics of Complex di Dresda, Germania. "Tali simulazioni potrebbero avere un impatto importante sulla chimica quantistica, scienza dei materiali e fisica fondamentale".

All'interno della simulazione quantistica digitale, l'evoluzione temporale del sistema quantistico mirato a molti corpi è realizzata da una sequenza di porte quantistiche elementari discretizzando l'evoluzione temporale, un processo chiamato trotterizzazione. "Una sfida fondamentale, però, è il controllo di una fonte di errore intrinseca, che appare a causa di questa discretizzazione, "dice Markus Heyl.

Insieme ai colleghi internazionali, hanno mostrato in un recente Progressi scientifici articolo che la localizzazione quantistica vincolando l'evoluzione temporale attraverso l'interferenza quantistica limita fortemente questi errori per le osservabili locali.

Più robusto del previsto

"La simulazione quantistica digitale è quindi intrinsecamente molto più robusta di quanto ci si potrebbe aspettare dai limiti di errore noti sulla funzione d'onda globale a molti corpi, " dice Heyl. Questa robustezza è caratterizzata da una soglia netta in funzione della granularità del tempo utilizzato misurata dalla cosiddetta dimensione del passo di Trotter. La soglia separa una regione regolare con errori di Trotter controllabili, dove il sistema mostra localizzazione nello spazio degli autostati dell'operatore tempo-evoluzione, da un regime caotico quantistico in cui gli errori si accumulano rapidamente rendendo inutilizzabile il risultato della simulazione quantistica.

"I nostri risultati mostrano che la simulazione quantistica digitale con passaggi di Trotter relativamente grandi può mantenere errori di Trotter controllati per osservabili locali, " dice Markus Heyl. "È così possibile ridurre il numero di operazioni di porta quantistica necessarie per rappresentare fedelmente l'evoluzione temporale desiderata, mitigando così gli effetti delle operazioni imperfette dei singoli gate." Questo porta la simulazione quantistica digitale per problemi quantistici a molti corpi classicamente impegnativi alla portata degli attuali dispositivi quantistici.