Квантовые симуляторы создают совершенно новую фазу материи

Чарли Вуд

Uantum-компьютеры, по прогнозам энтузиастов, когда-нибудь будут творить множество чудес — от взлома цифровых шифров до разработки чудодейственных лекарств. Однако на этом раннем этапе преимущества многих квантовых алгоритмов остаются спекулятивными. И некоторые исследователи , физик из Гарвардского университета.

Тем не менее, даже не имея полноценных квантовых компьютеров, физики используют родственные, более специализированные типы машин — квантовые симуляторы — для реализации одной из первоначальных целей этой области: эмулировать странное поведение квантовых систем.

Как сказал Ричард Фейнман в своей лекции 1981 года: «Природа не является классической, черт возьми, и если вы хотите смоделировать природу, вам лучше сделать ее квантово-механической».

За последние несколько лет группы в Париже и Кембридже, штат Массачусетс, добились больших успехов в этом направлении, используя квантовый симулятор типа темной лошадки. Они сделали серию симуляций, на воспроизведение которых на классическом компьютере ушли бы месяцы или даже больше.

«Они исследовали некоторые передовые области физики», — сказал Иван Дойч , пионер технологии , в настоящее время работающий в Университете Нью-Мексико.

В начале декабря 2021 года кембриджская группа представила свое самое значительное открытие: обнаружение неуловимого состояния материи , известного как квантовая спиновая жидкость, которое существует вне столетней парадигмы, описывающей способы организации материи. Это подтверждает почти 50-летнюю теорию, предсказывающую экзотическое состояние. Это также знаменует собой шаг к мечте о создании действительно полезного универсального квантового компьютера.

«Если я возьму всю историю экспериментов с ультрахолодным атомом, это, вероятно, был один из самых впечатляющих и новаторских экспериментов в этой области», — сказал Эхуд Альтман , теоретик конденсированных сред из Калифорнийского университета в Беркли.

В новой работе используется новый подход к квантовым вычислениям, основанный на нейтральных атомах. Хотя этот метод отстает от более популярных технологий квантовых вычислений, таких как сверхпроводящие схемы или захваченные ионы, нейтральные атомы обладают особыми свойствами, которые давно захватили воображение квантовых инженеров.

Ключом к созданию квантового компьютера является сбор набора кубитов — квантовых объектов, похожих на классические биты, — которые удовлетворяют двум противоречивым требованиям. Сначала кубиты должны быть ограждены брандмауэром от внешнего мира, иначе вибрации и тепло разрушат их квантовую моджо. Однако они должны быть одновременно доступными и манипулируемыми.

Сторонники говорят, что нейтральные атомы особенно хорошо уравновешивают эти требования. Лазерные лучи могут захватывать и перемещать атомы, как притягивающий луч, защищая их от внешних помех. Дополнительный лазерный импульс может раздуть атомы до сверхразмерного «ридберговского» состояния, похожего на переворачивание классического бита. Критически важно, что эти нейтральные атомные кубиты могут принимать « суперпозицию » одновременно больших и малых размеров, а также могут удаленно соединяться друг с другом через « запутанность » — два основных компонента квантовых вычислений.

Исследователи расширяли свой контроль над нейтральными атомами в течение двух десятилетий. В 2001 году новаторские группы захватили отдельные атомы с помощью лазерного «пинцета» , а затем в 2010 году запутали пары атомов . Прорыв произошел в 2016 году, когда группы в Кембридже и Париже придумали, как бороться с полчищами из десятков атомов. Машины следующего поколения достигли трехзначного числа, что делает будущие компьютеры мощными симуляторами квантовых явлений.

«Мы говорим о 256 кубитах против 100 или 50 кубитов», — сказал Дойч. «Это действительно важно».

Исследователи использовали эти сетки нейтральных атомов для исследования фаз квантовой материи. Это похоже на знакомые фазы жидкости и твердого тела, но с более экзотическими и сложными конфигурациями, которые можно получить, добавив в смесь суперпозицию и запутанность. Исследование квантовых фаз является фундаментальным занятием, но оно также может иметь практическое применение, например, для понимания того, что вызывает высокотемпературную сверхпроводимость.

Физики конденсированного состояния изучают такие фазы, используя кристаллы, найденные в природе, и то, что они могут вырастить в своих лабораториях. Но исследователи нейтральных атомов могут гибко «программировать» свою материю, точно размещая атомы в решетках любой формы и создавая индивидуальные атомные взаимодействия посредством манипулирования ридберговскими состояниями.

«По сути, — сказал Михаил Лукин , лидер кембриджской группы, — мы собираем искусственный кристалл».

Летом 2021 года и Кембриджская, и Парижская группы смоделировали хрестоматийную теорию магнетизма — квантовую модель Изинга — для массивов из 256 и 196 атомов соответственно и точно измерили, как очаги магнетизма растут и сжимаются с изменением температуры в первый раз. время. Моделирование заняло бы месяцы на классическом компьютере. «Экспериментальный аппарат находится на стадии, когда попытки смоделировать вещь становятся непрактичными», — сказал Тьерри Лахайе , физик, работающий с парижской группой. Обе команды описали свои квантовые симуляции Изинга в журнале Nature в июле 2021 года.

Теперь коллаборация Кембриджа, состоящая из команды Лукина в Гарварде, лаборатории Грейнера в Гарварде и группы Владана Вулетича в Массачусетском технологическом институте, использовала свой квантовый симулятор для исследования долгожданной фазы материи.

В 1973 году Филип Андерсон, пионер в области конденсированных сред и будущий лауреат Нобелевской премии, предсказал, что материя может войти в странное состояние , называемое квантовой спиновой жидкостью. Многие атомы обладают квантовым свойством, известным как «спин», которое определяет направление. Спины взаимодействуют магнитно, из-за чего они могут иметь тенденцию указывать в противоположных направлениях, особенно при низких температурах. Но если три атома расположены в виде треугольника, только два из трех могут указывать в противоположных направлениях. Следовательно, треугольная решетка атомов не может «застыть» в аккуратной структуре спинов. Даже при абсолютном нуле спины продолжают колебаться, подобно тому, как атомы плещутся в жидкости.

Квантовые спиновые жидкости сильно запутаны. Эта особенность ведет к «топологическому» порядку, потому что отдельные частицы могут ощущать общую топологию или геометрию системы. Проделайте отверстие в кубике льда, и он останется замороженным, но удалите атомы в центре квантовой спиновой жидкости, и свойства системы могут измениться. Это относит квантовые спиновые жидкости к новому классу материи.

Различные группы видели косвенные намеки на квантовые спиновые жидкости , например, в минерале Гербертсмит , который имеет кристаллическую структуру, особенно неприятную для атомов. Но почти невозможно напрямую подтвердить статус материала как квантовой спиновой жидкости, потому что его определяющая запутанность и связанный с ней топологический порядок не могут быть измерены в одной точке.

Кембриджская группа использовала квантовый симулятор, чтобы получить представление с высоты птичьего полета. Сначала они запрограммировали свои нейтральные атомы так, чтобы они действовали как атомы в Гербертсмитите , с включенным-выключенным состоянием Ридберга, заменяющим вращение. Затем они измерили ридберговские состояния в петлях и цепочках атомов, чтобы получить нелокальные наблюдения, связанные с запутанностью. Результатом является первое прямое измерение топологического порядка квантовой спиновой жидкости.

«Удивительно то, что это выглядит очень убедительно», — сказал Альтман, не участвовавший в этом.

Первое четкое открытие топологически упорядоченной фазы материи — дробный квантовый эффект Холла — было удостоено Нобелевской премии в 1998 году. Теперь квантовые симуляторы дают исследователям контроль, необходимый для тщательного анализа второго примера.

«Это исследование квантовых спиновых жидкостей — на мой взгляд, это очень особенный момент, — сказал Лукин.

Квантовые симуляторы могут оказаться полезными для решения ряда практических задач, и обе группы нейтральных атомов запустили дополнительный бизнес: Pasqal для парижской команды и QuEra Computing в Кембридже, которая в декабре 2021 года объявила о привлечении 17 миллионов долларов от инвесторов, в том числе японских. гигант коммуникаций и электронной коммерции Rakuten.

В долгосрочной перспективе компании надеются превратить свои симуляторы в универсальные квантовые компьютеры, способные выполнять любые квантовые вычисления. Для этого потребуется полный контроль над отдельными атомами, чтобы использовать их в качестве полноценных кубитов. Нейтральные атомы, хотя и не такие зрелые в этом отношении, как сверхпроводящие квантовые компьютеры от Google и IBM, объявившие о выпуске универсального квантового процессора на 127 кубитов, все же могут догнать их. «Иногда я начинаю сомневаться, — сказал Грейнер. «Затем в то же время я заглядываю в нашу лабораторию и вижу, что даже с горсткой атомов мы можем делать вещи, которые не может рассчитать ни один суперкомпьютер».

источник: