I ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University in Giappone hanno recentemente studiato situazioni in cui due Hamiltoniane distinte potrebbero essere utilizzate per simulare gli stessi fenomeni fisici. Un Hamiltoniano è una funzione o un modello utilizzato per descrivere un sistema dinamico, come il moto delle particelle.

In un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno introdotto una struttura che potrebbe rivelarsi utile per simulare la stessa fisica con due Hamiltoniane distinte. Inoltre, forniscono un esempio di simulazione analogica e mostrano come si potrebbe costruire una versione alternativa di un simulatore quantistico digitale.

"L'idea è nata guardando la generazione dinamica di entanglement nelle catene di spin, " Karol Gietka, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ho notato che il comportamento dell'entanglement in funzione del tempo in un certo modello assomiglia molto al comportamento dell'entanglement nel modello paradigmatico di torsione a un asse. Inizialmente, Pensavo che si potesse mappare un sistema su un altro, ma non era possibile in quanto le Hamiltoniane dei due sistemi erano molto diverse, che mi ha davvero confuso."

Gietka decise di ripensare i principi dei simulatori quantistici e poi si rese conto che oltre all'Hamiltoniano, lo stato iniziale dovrebbe essere preso in considerazione anche come ingrediente dei simulatori quantistici. Gietka ei suoi colleghi hanno definito un operatore "connettore" e hanno scoperto che la stessa dinamica è osservata da due Hamiltoniane differenti se lo stato iniziale è un autostato del connettore.

Questo risultato indica che l'uso della stessa Hamiltoniana non è sempre una condizione necessaria. Come esempio, hanno dimostrato che la fisica della torsione ad un asse può essere simulata da una catena di spin con un campo esterno, anche se il modello di torsione ad un asse ha interazioni a gamma infinita e questo modello di catena di spin ha solo interazioni più vicine. Le Hamiltoniane di questi due modelli sono fisicamente differenti, cioè con differenti spettri energetici, ma ancora si può simulare l'uno con l'altro se la dinamica inizia con stati speciali.

"Il vantaggio di un tale approccio è che rilassa le condizioni imposte al simulatore quantistico universale:una macchina quantistica in grado di simulare un sistema fisico arbitrario, " Gietka ha detto. "Una delle sue applicazioni, che presentiamo nel nostro scritto, è la creazione di stati massimamente entangled di sistemi a molti corpi sfruttando solo le interazioni tra gli elementi più vicini del sistema. Un'altra applicazione è una versione alternativa del simulatore quantistico digitale che potrebbe rivelarsi meno complessa in alcuni casi rispetto al simulatore digitale originale".

Sorprendentemente, il fatto che un simulatore quantistico hamiltoniano possa differire notevolmente dall'hamiltoniano che si vuole simulare potrebbe estendere l'ambito della simulazione quantistica, in quanto significa che si potrebbe creare un simulatore la cui Hamiltoniana non concorda con quella di nessun sistema esistente al mondo. Il lavoro di questi ricercatori potrebbe quindi consentire la progettazione e la realizzazione di diversi tipi di dispositivi quantistici.

"Ora sto studiando come l'idea di simulare la stessa fisica con due distinti Hamiltoniane può essere sfruttata per simulare la fisica di sistemi quantistici esotici che apparentemente non dovrebbero esistere, " Ha detto Gietka. "Sto anche cercando di capire come si può usare quell'idea nella metrologia quantistica per raccogliere misurazioni precise di parametri fisici sconosciuti".

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