Pierwszy na świecie symulator kwantowy

Naukowcy z Austrii zbudowali pierwszy na świecie cyfrowy „symulator kwantowy”. Urządzenie opracowane przez grupę badawczą Bena Lanyon’a z University of Innsbruck składa się z kilku uwięzionych jonów wapnia, którymi można następnie manipulować za pomocą impulsów laserowych. Zespół wykorzystał stworzone urządzenie do zasymulowania ewolucji czasowej kilku wielocząsteczkowych układów.

Symulator kwantowy używa jednego układu kwantowego do symulowania zachowania innego, mniej dostępnego układu. Na przykład, poprzez staranne manipulowanie światłem lasera oraz polem magnetycznym pułapkującym zespół ultrazimnych atomów, naukowcy mogą kontrolować oddziaływania pomiędzy takimi atomami i w konsekwencji symulować oddziaływania zachodzące pomiędzy elektronami w ciele stałym. Siła tychże oddziaływań może być z łatwością regulowana pozwalając fizykom testować teorię fizyki materii skondensowanej.

Symulatory kwantowe są często określane mianem „analogów” ze względu na fakt, że oddziaływania pomiędzy uwięzionymi atomami są analogiczne do oddziaływań występujących pomiędzy elektronami. Cyfrowy symulator kwantowy składa się z zespołu oddziałujących ze sobą cząstek kwantowych działających jako kubity (bity kwantowe). Kubity mogą być następnie wykorzystane do wytworzenia np. kwantowych bramek logicznych. W przeciwieństwie do analogowych symulatorów odnoszących się tylko do pewnych specyficznych układów, cyfrowe symulatory mogą być wykorzystywane do jednoczesnego badania wielu układów kwantowych. Ponadto symulatory cyfrowe mogą korzystać z systemu korekcji błędów, dzięki czemu fizycy mogą być bardziej pewni otrzymywanych wyników. Dotychczas skonstruowane symulatory kwantowe wykorzystywały technikę rezonansu magnetycznego (NMR) korzystając zaledwie z dwóch lub trzech kubitów. Zbudowanie urządzenia bazującego na większej ilości kubitów, wymaganych do przeprowadzania kwantowych symulacji, okazało się jednak zbyt trudne. Symulator skonstruowany przez grupę Lanyon’a, bazujący na spułapkowanych jonach, omija jednak powyższy problem.

Skalowanie

Naukowcy z Austrii rozpoczęli eksperymenty od użycia małej ilości jonów wapnia ułożonych w jednej linii wewnątrz elektromagnetycznej pułapki. Każdy taki jon mógł występować w jednym z dwóch stanów elektronowych: „0” lub „1” i dlatego mógł działać jako bit kwantowy. Oddziaływania pomiędzy poszczególnymi jonami były kontrolowane za pomocą impulsów laserowych.

Obliczenia rozpoczęły się od „wprowadzenia” jonów w jednakowy stan kwantowy. Na przykład w eksperymencie z udziałem czterech jonów, każdy z nich występował w stanie „1” (logicznej jedynki). Następnie seria impulsów laserowych „ostrzeliwała” wszystkie jony doprowadzając do wystąpienia wzajemnej interakcji pomiędzy nimi i przyczyniając się do stworzenia pewnej sekwencji bramek logicznych przetwarzających informację kwantową. Powstała sekwencja pozwalała, i w ogólności pozwala, symulować oddziaływania występujące w rzeczywistym (lub wyimaginowanym) układzie kwantowym. W tym konkretnym przypadku, kubity zostały wykorzystane do zasymulowania układu czterech cząstek o spinie -1/2, w którym spin każdej z cząstek mógł oddziaływać z trzema innymi cząstkami.

Ewolucja spinów

Lanyon wraz ze współpracownikami byli szczególnie zainteresowani obliczeniem czasowej ewolucji spinów, co jest niezwykle trudne do zrealizowania za pomocą klasycznego komputera. Wykonanie tego zadania wymagało zastosowania przybliżenia Trottera polegającego na wyemitowaniu przed odczytem wartości kubitów serii impulsów światła symulujących ewolucję takiego systemu przez pewien okres czasu. Układ ten był następnie resetowany i identyczna symulacja była wielokrotnie powtarzana aż do uzyskania średnich wartości kubitów. Celem stworzenia mapy czasowej ewolucji spinów cały ten proces był ponownie powtarzany dla wielu różnych przedziałów czasowych. Grupa Lanyon’a przeprowadziła takie symulacje dla układów różniących się ilością uwięzionych jonów (maksymalnie dla układu zawierającego aż sześć jonów) oraz bramek kwantowych (nie większej niż sto).

W kierunku komputera kwantowego

„Wykorzystanie sześciu kubitów i stu bramek dla zasymulowania operacji kwantowych jest wielkim wyczynem, który toruje drogę do bardziej złożonych i bogatszych symulacji kwantowych w najbliższej przyszłości”, powiedział Alan Aspuru-Guzik z Harvard University w USA. „Grupa Lanyon’a zaimplementowała jeden z istotnych i podstawowych składników wymaganych do skonstruowania komputera kwantowego”, dodał.

Obecnie grupa naukowców z Austrii pracuje nad przeprowadzeniem symulacji z użyciem dziesięciu lub większej liczby jonów. Zdaniem Lanyon’a wykonanie tego zadania nie powinno stanowić większego problemu. Jednak, jak sam przyznał, wykonywanie dużej ilości operacji kwantowych na spułapkowanych jonach nie należy do łatwych przedsięwzięć, ponieważ kubity wraz z upływem czasu mają tendencję do utraty swojej kwantowej natury na skutek oddziaływań z otaczającym je ośrodkiem.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com