stringtranslate.com

Квантовый симулятор

На этой фотографии квантового симулятора кристалла ионы флуоресцируют , указывая на то, что все кубиты находятся в одном и том же состоянии (либо «1», либо «0»). При правильных экспериментальных условиях ионный кристалл спонтанно образует эту почти идеальную треугольную решетчатую структуру. Кредит: Britton/NIST
Иллюстрация квантового симулятора захваченных ионов: Сердце симулятора — двумерный кристалл ионов бериллия (синие сферы на графике); внешний электрон каждого иона — квантовый бит (кубит, красные стрелки). Ионы удерживаются большим магнитным полем в устройстве, называемом ловушкой Пеннинга (не показано). Внутри ловушки кристалл вращается по часовой стрелке. Кредит: Britton/NIST

Квантовые симуляторы позволяют изучать квантовую систему программируемым способом. В этом случае симуляторы — это специальные устройства, предназначенные для получения информации о конкретных физических проблемах. [1] [2] [3] Квантовые симуляторы можно сравнить с обычно программируемыми «цифровыми» квантовыми компьютерами , которые способны решать более широкий класс квантовых задач.

Универсальный квантовый симулятор — квантовый компьютер , предложенный Юрием Маниным в 1980 году [4] и Ричардом Фейнманом в 1982 году [5].

Квантовая система может быть смоделирована либо машиной Тьюринга , либо квантовой машиной Тьюринга , поскольку классическая машина Тьюринга способна смоделировать универсальный квантовый компьютер (и, следовательно, любой более простой квантовый симулятор), что означает, что они эквивалентны с точки зрения теории вычислимости . Было показано, что симуляция квантовой физики классическим компьютером неэффективна. [6] Другими словами, квантовые компьютеры не обеспечивают дополнительной мощности по сравнению с классическими компьютерами с точки зрения вычислимости, но есть подозрение, что они могут решать определенные задачи быстрее, чем классические компьютеры, то есть они могут находиться в разных классах сложности , поэтому квантовые машины Тьюринга полезны для моделирования квантовых систем. Это известно как квантовое превосходство , идея о том, что существуют задачи, которые только квантовые машины Тьюринга могут решить за любое возможное время.

Квантовая система из многих частиц может быть смоделирована квантовым компьютером с использованием числа квантовых битов , аналогичного числу частиц в исходной системе. [5] Это было распространено на гораздо более крупные классы квантовых систем. [7] [8] [9] [10]

Квантовые симуляторы были реализованы на ряде экспериментальных платформ, включая системы ультрахолодных квантовых газов , полярных молекул, захваченных ионов, фотонных систем, квантовых точек и сверхпроводящих цепей. [11]

Решение задач по физике

Многие важные проблемы в физике, особенно физика низких температур и физика многих тел , остаются плохо изученными, поскольку лежащая в их основе квантовая механика чрезвычайно сложна. Обычные компьютеры, включая суперкомпьютеры, не подходят для моделирования квантовых систем с всего лишь 30 частицами, поскольку размерность гильбертова пространства растет экспоненциально с числом частиц. [12] Необходимы лучшие вычислительные инструменты для понимания и рационального проектирования материалов, свойства которых, как полагают, зависят от коллективного квантового поведения сотен частиц. [2] [3] Квантовые симуляторы предоставляют альтернативный путь к пониманию свойств этих систем. Эти симуляторы создают чистые реализации конкретных интересующих систем, что позволяет точно реализовывать их свойства. Точный контроль и широкая настраиваемость параметров системы позволяют четко распутывать влияние различных параметров.

Квантовые симуляторы могут решать проблемы, которые трудно моделировать на классических компьютерах, поскольку они напрямую используют квантовые свойства реальных частиц. В частности, они используют свойство квантовой механики, называемое суперпозицией , при котором квантовая частица находится в двух различных состояниях одновременно, например, выровненная и антивыровненная с внешним магнитным полем. Важно, что симуляторы также используют второе квантовое свойство, называемое запутанностью , что позволяет коррелировать поведение даже физически хорошо разделенных частиц. [2] [3] [13]

Недавно квантовые симуляторы были использованы для получения временных кристаллов [14] [15] и квантовых спиновых жидкостей . [16] [17]

Симуляторы захваченных ионов

Система на основе ионной ловушки образует идеальную среду для моделирования взаимодействий в квантовых спиновых моделях. [18] Симулятор захваченных ионов , созданный командой, в которую входил NIST, может проектировать и контролировать взаимодействия между сотнями квантовых битов (кубитов). [19] Предыдущие попытки не смогли выйти за пределы 30 квантовых битов. Возможности этого симулятора в 10 раз больше, чем у предыдущих устройств. Он прошел ряд важных контрольных тестов, которые указывают на способность решать проблемы в материаловедении, которые невозможно смоделировать на обычных компьютерах.

Симулятор захваченных ионов состоит из крошечного одноплоскостного кристалла из сотен ионов бериллия диаметром менее 1 миллиметра, парящего внутри устройства, называемого ловушкой Пеннинга . Самый внешний электрон каждого иона действует как крошечный квантовый магнит и используется как кубит, квантовый эквивалент «1» или «0» в обычном компьютере. В эксперименте по сравнительному анализу физики использовали лазерные лучи для охлаждения ионов почти до абсолютного нуля. Затем тщательно рассчитанные микроволновые и лазерные импульсы заставили кубиты взаимодействовать, имитируя квантовое поведение материалов, которые в противном случае было бы очень трудно изучать в лаборатории. Хотя эти две системы могут внешне казаться непохожими, их поведение спроектировано так, чтобы быть математически идентичным. Таким образом, симуляторы позволяют исследователям изменять параметры, которые нельзя изменить в естественных твердых телах, такие как атомный интервал решетки и геометрия.

Фриденауэр и др. адиабатически манипулировали 2 спинами, показывая их разделение на ферромагнитные и антиферромагнитные состояния. [20] Ким и др. расширили квантовый симулятор захваченных ионов до 3 спинов с глобальными антиферромагнитными взаимодействиями Изинга, демонстрирующими фрустрацию, и показали связь между фрустрацией и запутыванием [21] , а Ислам и др. использовали адиабатическое квантовое моделирование, чтобы продемонстрировать обострение фазового перехода между парамагнитным и ферромагнитным упорядочением по мере увеличения числа спинов с 2 до 9. [22] Баррейро и др. создали цифровой квантовый симулятор взаимодействующих спинов с 5 захваченными ионами путем соединения с открытым резервуаром [23] , а Ланьон и др. продемонстрировали цифровое квантовое моделирование с 6 ионами. [24] Ислам и др. продемонстрировали адиабатическое квантовое моделирование поперечной модели Изинга с переменными (дальнобойными) взаимодействиями с числом захваченных ионных спинов до 18, показав контроль уровня спиновой фрустрации путем регулировки диапазона антиферромагнитного взаимодействия. [25] Бриттон и др. из NIST экспериментально измерили взаимодействие Изинга в системе из сотен кубитов для изучения квантового магнетизма. [19] Пагано и др. сообщили о новой криогенной системе захвата ионов, разработанной для длительного хранения больших ионных цепочек, демонстрирующей когерентные одно- и двухкубитные операции для цепочек из до 44 ионов. [26] Джоши и др. исследовали квантовую динамику 51 индивидуально контролируемых ионов, реализуя цепочку спинов с дальнобойным взаимодействием. [27]

Симуляторы ультрахолодных атомов

Многие эксперименты с ультрахолодными атомами являются примерами квантовых симуляторов. К ним относятся эксперименты по изучению бозонов или фермионов в оптических решетках , унитарный ферми-газ, массивы атомов Ридберга в оптических пинцетах . Общей темой для этих экспериментов является возможность реализации общих гамильтонианов, таких как гамильтониан Хаббарда или поперечного поля Изинга . Основные цели этих экспериментов включают идентификацию низкотемпературных фаз или отслеживание неравновесной динамики для различных моделей, проблемы, которые теоретически и численно неразрешимы. [28] [29] Другие эксперименты реализовали модели конденсированного состояния в режимах, которые трудно или невозможно реализовать с помощью обычных материалов, таких как модель Холдейна и модель Харпера-Хофштадтера . [30] [31] [32] [33] [34]

Сверхпроводящие кубиты

Квантовые симуляторы, использующие сверхпроводящие кубиты, делятся на две основные категории. Во-первых, так называемые квантовые отжигатели определяют основные состояния определенных гамильтонианов после адиабатического спада. Этот подход иногда называют адиабатическими квантовыми вычислениями . Во-вторых, многие системы эмулируют определенные гамильтонианы и изучают свойства их основных состояний, квантовые фазовые переходы или динамику времени. [35] Несколько важных недавних результатов включают реализацию изолятора Мотта в управляемой диссипативной системе Бозе-Хаббарда и исследования фазовых переходов в решетках сверхпроводящих резонаторов, связанных с кубитами. [36] [37]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Джонсон, Томи Х.; Кларк, Стивен Р.; Якш, Дитер (2014). «Что такое квантовый симулятор?». EPJ Quantum Technology . 1 (10). arXiv : 1405.2831 . doi : 10.1140/epjqt10. S2CID  120250321.
  2. ^ abc  В этой статье использованы материалы из общественного достояния Майкла Э. Ньюмана. Физики из NIST проверяют квантовый симулятор с сотнями кубитов. Национальный институт стандартов и технологий . Получено 22.02.2013 .Общественное достояние
  3. ^ abc Britton, Joseph W.; Sawyer, Brian C.; Keith, Adam C.; Wang, C.-C. Joseph; Freericks, James K.; Uys, Hermann; Biercuk, Michael J.; Bollinger, John J. (2012). «Спроектированные двумерные взаимодействия Изинга в квантовом симуляторе захваченных ионов с сотнями спинов» (PDF) . Nature . 484 (7395): 489–92. arXiv : 1204.5789 . Bibcode :2012Natur.484..489B. doi :10.1038/nature10981. PMID  22538611. S2CID  4370334. Примечание: данная рукопись является вкладом Национального института стандартов и технологий США и не подпадает под действие авторских прав США.
  4. ↑ Манин, Ю. И. (1980). Вычислимое и невычислимое [ Computable and Noncomputable ] (на русском языке). Сов. Радио. С. 13–15. Архивировано из оригинала 2013-05-10 . Получено 2013-03-04 .
  5. ^ ab Feynman, Richard (1982). «Моделирование физики с помощью компьютеров». International Journal of Theoretical Physics . 21 (6–7): 467–488. Bibcode :1982IJTP...21..467F. CiteSeerX 10.1.1.45.9310 . doi :10.1007/BF02650179. S2CID  124545445. 
  6. ^ Фейнман, Ричард П. (1982-06-01). «Моделирование физики с помощью компьютеров». Международный журнал теоретической физики . 21 (6): 467–488. Bibcode : 1982IJTP...21..467F. doi : 10.1007/BF02650179. ISSN  1572-9575. S2CID  124545445.
  7. ^ Дорит Ахаронов; Амнон Та-Шма (2003). «Адиабатическая генерация квантового состояния и статистическое нулевое знание». arXiv : quant-ph/0301023 .
  8. ^ Берри, Доминик В.; Грэм Ахокас; Ричард Клив; Сандерс, Барри К. (2007). «Эффективные квантовые алгоритмы для моделирования разреженных гамильтонианов». Сообщения по математической физике . 270 (2): 359–371. arXiv : quant-ph/0508139 . Bibcode :2007CMaPh.270..359B. doi :10.1007/s00220-006-0150-x. S2CID  37923044.
  9. ^ Чайлдс, Эндрю М. (2010). «О связи между непрерывным и дискретным квантовым блужданием». Сообщения по математической физике . 294 (2): 581–603. arXiv : 0810.0312 . Bibcode :2010CMaPh.294..581C. doi :10.1007/s00220-009-0930-1. S2CID  14801066.
  10. ^ Kliesch, M.; Barthel, T.; Gogolin, C.; Kastoryano, M.; Eisert, J. (12 сентября 2011 г.). "Диссипативная квантовая теорема Чёрча-Тьюринга". Physical Review Letters . 107 (12): 120501. arXiv : 1105.3986 . Bibcode : 2011PhRvL.107l0501K. doi : 10.1103/PhysRevLett.107.120501. PMID  22026760. S2CID  11322270.
  11. ^ Nature Physics Insight – Квантовое моделирование. Nature.com. Апрель 2012 г.
  12. ^ Ллойд, С. (1996). «Универсальные квантовые симуляторы». Science . 273 (5278): 1073–8. Bibcode :1996Sci...273.1073L. doi :10.1126/science.273.5278.1073. PMID  8688088. S2CID  43496899.
  13. ^ Cirac, J. Ignacio; Zoller, Peter (2012). «Цели и возможности квантового моделирования» (PDF) . Nature Physics . 8 (4): 264–266. Bibcode : 2012NatPh...8..264C. doi : 10.1038/nphys2275. S2CID  109930964.[ постоянная мертвая ссылка ]
  14. ^ Kyprianidis, A.; Machado, F.; Morong, W.; Becker, P.; Collins, KS; Else, DV; Feng, L.; Hess, PW; Nayak, C.; Pagano, G.; Yao, NY (2021-06-11). "Наблюдение за дотермическим дискретным кристаллом времени". Science . 372 (6547): 1192–1196. arXiv : 2102.01695 . Bibcode :2021Sci...372.1192K. doi :10.1126/science.abg8102. ISSN  0036-8075. PMID  34112691. S2CID  231786633.
  15. ^ S, Robert; ers; Беркли, Калифорнийский университет (10.11.2021). «Создание кристаллов времени с использованием новых архитектур квантовых вычислений». SciTechDaily . Получено 27.12.2021 .
  16. ^ Semeghini, G.; Levine, H.; Keesling, A.; Ebadi, S.; Wang, TT; Bluvstein, D.; Verresen, R.; Pichler, H.; Kalinowski, M.; Samajdar, R.; Omran, A. (2021-12-03). «Исследование топологических спиновых жидкостей на программируемом квантовом симуляторе». Science . 374 (6572): 1242–1247. arXiv : 2104.04119 . Bibcode :2021Sci...374.1242S. doi :10.1126/science.abi8794. PMID  34855494. S2CID  233204440.
  17. ^ Вуд, Чарли (2021-12-02). «Квантовые симуляторы создают совершенно новую фазу материи». Журнал Quanta . Получено 11.03.2022 .
  18. ^ Монро, К; и др. (2021). «Программируемое квантовое моделирование спиновых систем с захваченными ионами». Rev. Mod. Phys . 93 (4): 025001. arXiv : 1912.07845 . Bibcode :2021RvMP...93b5001M. doi :10.1103/RevModPhys.93.025001. ISSN  0034-6861. S2CID  209386771.
  19. ^ ab Britton, Joseph W.; Sawyer, Brian C.; Keith, Adam C.; Wang, C.-C. Joseph; Freericks, James K.; Uys, Hermann; Biercuk, Michael J.; Bollinger, John J. (25 апреля 2012 г.). «Спроектированные двумерные взаимодействия Изинга в квантовом симуляторе захваченных ионов с сотнями спинов». Nature . 484 (7395): 489–492. arXiv : 1204.5789 . Bibcode :2012Natur.484..489B. doi :10.1038/nature10981. PMID  22538611. S2CID  4370334.
  20. ^ Фриденауэр, А.; Шмитц, Х.; Глюкерт, Дж. Т.; Поррас, Д.; Шаец, Т. (27 июля 2008 г.). «Моделирование квантового магнита с захваченными ионами». Физика природы . 4 (10): 757–761. Бибкод : 2008NatPh...4..757F. дои : 10.1038/nphys1032 .
  21. ^ Ким, К.; Чанг, М.-С.; Коренблит, С.; Ислам, Р.; Эдвардс, Э.Э .; Фририкс, Дж.К.; Лин, Г.-Д.; Дуань, Л.-М.; Монро, К. (июнь 2010 г.). «Квантовое моделирование фрустрированных спинов Изинга с захваченными ионами». Nature . 465 (7298): 590–593. Bibcode :2010Natur.465..590K. doi :10.1038/nature09071. PMID  20520708. S2CID  2479652.
  22. ^ Ислам, Р.; Эдвардс, Э. Э .; Ким, К.; Коренблит, С.; Но, К.; Кармайкл, Х.; Лин, Г.-Д.; Дуань, Л.-М.; Джозеф Ван, К.-К.; Фририкс, Дж. К.; Монро, К. (5 июля 2011 г.). "Начало квантового фазового перехода с квантовым симулятором захваченных ионов". Nature Communications . 2 (1): 377. arXiv : 1103.2400 . Bibcode :2011NatCo...2..377I. doi :10.1038/ncomms1374. PMID  21730958. S2CID  33407.
  23. ^ Баррейро, Хулио Т.; Мюллер, Маркус; Шиндлер, Филипп; Нигг, Дэниел; Монц, Томас; Чвалла, Майкл; Генрих, Маркус; Роос, Кристиан Ф.; Золлер, Питер; Блатт, Райнер (23 февраля 2011 г.). «Квантовый симулятор открытой системы с захваченными ионами». Природа . 470 (7335): 486–491. arXiv : 1104.1146 . Бибкод : 2011Natur.470..486B. дои : 10.1038/nature09801. PMID  21350481. S2CID  4359894.
  24. ^ Lanyon, BP; Hempel, C.; Nigg, D.; Muller, M.; Gerritsma, R.; Zahringer, F.; Schindler, P.; Barreiro, JT; Rambach, M.; Kirchmair, G.; Hennrich, M.; Zoller, P.; Blatt, R.; Roos, CF (1 сентября 2011 г.). "Универсальное цифровое квантовое моделирование с захваченными ионами". Science . 334 (6052): 57–61. arXiv : 1109.1512 . Bibcode :2011Sci...334...57L. doi :10.1126/science.1208001. PMID  21885735. S2CID  206535076.
  25. ^ Ислам, Р.; Сенко, К.; Кэмпбелл, WC; Коренблит, С.; Смит, Дж.; Ли, А.; Эдвардс, Э .; Ванг, К.- К.Дж.; Фририкс, Дж.К.; Монро, К. (2 мая 2013 г.). «Возникновение и фрустрация магнетизма с переменным радиусом взаимодействия в квантовом симуляторе». Science . 340 (6132): 583–587. arXiv : 1210.0142 . Bibcode :2013Sci...340..583I. doi :10.1126/science.1232296. PMID  23641112. S2CID  14692151.
  26. ^ Пагано, Г.; Гесс, П. В.; Каплан, Х. Б.; Тан, В. Л.; Ришерм, П.; Беккер, П.; Киприанидис, А.; Чжан, Дж.; Биркельбау, Э.; Эрнандес, М. Р.; Ву, И.; Монро, К. (9 октября 2018 г.). «Криогенная система с захваченными ионами для крупномасштабного квантового моделирования». Квантовая наука и технологии . 4 (1): 014004. arXiv : 1802.03118 . doi : 10.1088/2058-9565/aae0fe. S2CID  54518534.
  27. ^ Джоши, МК; Кранцль, Ф.; Шукерт, А.; Ловас, И.; Майер, К.; Блатт, Р.; Кнап, М.; Роос, КФ (13 мая 2022 г.). «Наблюдение возникающей гидродинамики в дальнодействующем квантовом магните». Science . 6594 (376): 720–724. arXiv : 2107.00033 . Bibcode :2022Sci...376..720J. doi :10.1126/science.abk2400. PMID  35549407. S2CID  235694285 . Получено 13 мая 2022 г. .
  28. ^ Блох, Иммануэль; Далибар, Жан; Насимбен, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами». Nature Physics . 8 (4): 267–276. Bibcode : 2012NatPh...8..267B. doi : 10.1038/nphys2259. S2CID  17023076.
  29. ^ Гросс, Кристиан; Блох, Иммануэль (8 сентября 2017 г.). «Квантовое моделирование с ультрахолодными атомами в оптических решетках». Nature . 357 (6355): 995–1001. Bibcode :2017Sci...357..995G. doi : 10.1126/science.aal3837 . PMID  28883070.
  30. ^ Йотцу, Грегор; Мессер, Михаэль; Дебюкуа, Реми; Лебра, Мартен; Улингер, Томас; Грейф, Даниэль; Эсслингер, Тильман (13 ноября 2014 г.). «Экспериментальная реализация топологической модели Холдейна с ультрахолодными фермионами». Nature . 515 (7526): 237–240. arXiv : 1406.7874 . Bibcode :2014Natur.515..237J. doi :10.1038/nature13915. PMID  25391960. S2CID  204898338.
  31. ^ Саймон, Джонатан (13 ноября 2014 г.). «Магнитные поля без магнитных полей». Nature . 515 (7526): 202–203. doi : 10.1038/515202a . PMID  25391956.
  32. ^ Чжан, Дэн-Вэй; Чжу, Янь-Цин; Чжао, YX; Ян, Хуэй; Чжу, Ши-Лян (29 марта 2019 г.). «Топологическая квантовая материя с холодными атомами». Достижения физики . 67 (4): 253–402. arXiv : 1810.09228 . дои : 10.1080/00018732.2019.1594094. S2CID  91184189.
  33. ^ Альберти, Андреа; Робенс, Карстен; Альт, Вольфганг; Брахане, Стефан; Карский, Михал; Рейманн, Рене; Видера, Артур; Мешеде, Дитер (06 мая 2016 г.). «Микроскопия одиночных атомов в оптических решетках сверхразрешения». Новый журнал физики . 18 (5): 053010. arXiv : 1512.07329 . Бибкод : 2016NJPh...18e3010A. дои : 10.1088/1367-2630/18/5/053010 . ISSN  1367-2630.
  34. ^ Робенс, Карстен; Брахане, Стефан; Мешеде, Дитер; Альберти, А. (2016-09-18), «Квантовые прогулки с нейтральными атомами: эффекты квантовой интерференции одной и двух частиц», Лазерная спектроскопия , WORLD SCIENTIFIC, стр. 1–15, arXiv : 1511.03569 , doi : 10.1142/9789813200616_0001, ISBN 978-981-320-060-9, S2CID  118452312 , получено 2020-05-25
  35. ^ Paraoanu, GS (4 апреля 2014 г.). «Последние достижения в квантовом моделировании с использованием сверхпроводящих цепей». Журнал физики низких температур . 175 (5–6): 633–654. arXiv : 1402.1388 . Bibcode : 2014JLTP..175..633P. doi : 10.1007/s10909-014-1175-8. S2CID  119276238.
  36. ^ Ma, Ruichao; Saxberg, Brendan; Owens, Clai; Leung, Nelson; Lu, Yao; Simon, Jonathan; Schuster, David I. (6 февраля 2019 г.). «Диссипативно стабилизированный изолятор Мотта фотонов». Nature . 566 (7742): 51–57. arXiv : 1807.11342 . Bibcode :2019Natur.566...51M. doi :10.1038/s41586-019-0897-9. PMID  30728523. S2CID  59606678.
  37. ^ Фицпатрик, Маттиас; Сундаресан, Нирея М.; Ли, Энди CY; Кох, Йенс; Хоук, Эндрю А. (10 февраля 2017 г.). «Наблюдение диссипативного фазового перехода в одномерной схеме QED-решетки». Physical Review X. 7 ( 1): 011016. arXiv : 1607.06895 . Bibcode : 2017PhRvX...7a1016F. doi : 10.1103/PhysRevX.7.011016. S2CID  3550701.

Внешние ссылки