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Quantum Synthetic Models for Entangled Matter Out of Equilibrium

Descrizione del progetto

Nuove fasi della materia derivanti dalle tecnologie quantistiche emergenti

I sistemi quantistici non in equilibrio sono affascinanti ma notoriamente difficili da simulare sui computer classici. Ciò è dovuto alla complessità della correlazione quantistica, in cui le particelle sono interconnesse in modi che rendono i loro stati dipendenti l’uno dall’altro. Il risultato è una crescita esponenziale della complessità all’aumentare delle dimensioni del sistema. Mentre il calcolo quantistico su larga scala è ancora un obiettivo a lungo termine, gli attuali dispositivi quantistici rumorosi su scala intermedia (NISQ) sono promettenti per la fisica dei molti corpi. Il progetto QUANTHEM, finanziato dal CER, caratterizzerà nuove fasi della materia esclusive delle piattaforme NISQ. QUANTHEM utilizzerà modelli artificiali come i circuiti quantistici (che simulano l’evoluzione dei qubit attraverso le porte) e gli automi cellulari quantistici (sistemi in cui gli stati quantistici evolvono in modo strutturato) per comprendere meglio le fasi della materia che emergono nei sistemi quantistici.

Obiettivo

The exceptional features of many-body quantum systems out of equilibrium are intimately connected with the intrinsic limitations we face when simulating their dynamics on a classical computer, as both are a consequence of the fact that quantum matter is entangled. Digital quantum simulators, or quantum computers, promise to overcome these limitations. However, in the current era of Noisy-Intermediate-Scale-Quantum (NISQ) devices, large-scale fault-tolerant quantum computation is out of reach, making full-fledged quantum simulation an ambitious long-term goal. Still, NISQ devices already provide new horizons and opportunities for fundamental research in many-body physics. Indeed, in their native hardware, they can be conceptualized as qubit systems evolving by discrete gates, measurements, and feedback, giving rise to completely new collective behavior and universal phenomena. This project has the ambitious goal of finding and theoretically characterizing new phases of matter which are exclusive to NISQ platforms, charting their largely unexplored phenomenology and possibilities. Taking on a fundamental perspective, at the intersection of many-body physics and quantum information theory, we will pursue this goal based on the study of synthetic models of quantum circuits and quantum cellular automata (QCA). The target results of this project include: (i) Prediction of new dynamical phases arising thanks to the building blocks of NISQ technology and identification of protocols to observe them in existing platforms; (ii) Deeper understanding of topical but hard problems in many-body physics out of equilibrium, made possible by the simplifying minimal structure of quantum-circuit and QCA models. The proposed research is expected to stimulate new synergies between different communities, reflecting the dual nature and interdisciplinary interest of NISQ devices, being both early prototypes for quantum computers and experimental platforms for many-body physics.

Campo scientifico (EuroSciVoc)

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Parole chiave

Programma(i)

Argomento(i)

Meccanismo di finanziamento

HORIZON-ERC - HORIZON ERC Grants

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Invito a presentare proposte

(si apre in una nuova finestra) ERC-2023-STG

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Istituzione ospitante

ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITA DI BOLOGNA
Contributo netto dell'UE
€ 1 405 750,00
Indirizzo
VIA ZAMBONI 33
40126 Bologna
Italia
Regione
Nord-Est Emilia-Romagna Bologna
Tipo di attività
Higher or Secondary Education Establishments
Collegamenti
Costo totale
€ 1 405 750,00

Beneficiari (1)