Вчені моделюють супердифузію на квантовому комп’ютері

Квантові фізики Trinity у співпраці з IBM Dublin успішно змоделювали супердифузію в системі взаємодіючих квантових частинок на квантовому комп’ютері. Це перший крок у виконанні надзвичайно складних обчислень квантового транспорту на квантовому апаратному забезпеченні, і, оскільки апаратне забезпечення з часом вдосконалюється, така робота обіцяє пролити нове світло на фізику конденсованого середовища та матеріалознавство.

Ця робота є одним із перших результатів стипендійної програми TCD-IBM, яка нещодавно була заснована, де IBM наймає Ph.D. студенти як співробітники під час спільного керівництва в Trinity. Стаття була нещодавно опублікована в npj Quantum Information.

Квантовий комп’ютер ранньої стадії, який використовується в цьому дослідженні, складається з 27 надпровідних кубітів (кубіти є будівельними блоками квантової логіки) і фізично розташований у лабораторії IBM у Йорктаун-Хайтс у Нью-Йорку та програмується віддалено з Дубліна.

Квантові обчислення зараз є однією з найцікавіших технологій, і очікується, що в наступне десятиліття вони наблизилися до комерційних застосувань. Окрім комерційних додатків, є захоплюючі фундаментальні питання, з якими можуть допомогти квантові комп’ютери. Команда Trinity та IBM Dublin взялася за одне з таких питань щодо квантового моделювання.

Пояснюючи важливість роботи та ідею квантового моделювання в цілому, професор Трініті Джон Гулд, директор нещодавно створеного Trinity Quantum Alliance, який очолював дослідження, каже: «Загалом проблема моделювання динаміки складної квантової системи з багатьма взаємодіючими компонентами є величезним викликом для звичайних комп’ютерів».

«Розгляньмо 27 кубітів на цьому конкретному пристрої. У квантовій механіці стан такої системи описується математично за допомогою об’єкта, який називається хвильовою функцією. Щоб використовувати стандартний комп’ютер для опису цього об’єкта, потрібно мати величезну кількість коефіцієнтів. зберігається в пам’яті, і вимоги експоненціально масштабуються з кількістю кубітів; приблизно 134 мільйони коефіцієнтів у випадку цієї симуляції».

«Якщо ви збільшите систему до 300 кубітів, вам знадобиться більше коефіцієнтів, ніж є атомів у всесвіті, який можна побачити, щоб описати таку систему, і жоден класичний комп’ютер не зможе точно зафіксувати стан системи. Іншими словами, ми натрапляємо на стіну, коли моделювання квантових систем», — сказав Гулд.

«Ідея використання квантових систем для моделювання квантової динаміки походить від американського лауреата Нобелівської премії, фізика Річарда Фейнмана, який припустив, що квантові системи найкраще моделювати за допомогою квантових систем. Причина проста — ви, природно, використовуєте той факт, що квантовий комп’ютер описаний за допомогою хвильової функції, таким чином обходячи потребу в експоненціальних класичних ресурсах для зберігання стану».

Отже, що саме симулювала команда? Професор Гулд продовжує: «Деякі з найпростіших нетривіальних квантових систем — це спінові ланцюги. Це системи малозв’язаних магнітів, які називаються спінами, які імітують складніші матеріали та використовуються для розуміння магнетизму. Нас зацікавила модель під назвою Гейзенберг ланцюга, і ми були особливо зацікавлені в довгочасній поведінці того, як спінові збудження транспортуються через систему.У цьому довгому часовому обмеженні квантові системи багатьох тіл входять у гідродинамічний режим, і транспорт описується рівняннями, які описують класичні рідини.

«Нас зацікавив конкретний режим, де відбувається щось, що називається супердифузією, через те, що основна фізика керується чимось, що називається рівнянням Кардара-Парізі-Жанга. Це рівняння, яке зазвичай описує стохастичне зростання поверхні або розділу, як висота снігу зростає під час сніжний бурі, як з часом стає пляма від чашки кави на тканині або як росте вогонь з пуху. Відомо, що поширення дає супердифузний транспорт».

«Це транспорт, який стає швидшим зі збільшенням розміру системи. Дивно, що ті самі рівняння, які керують цими явищами, виникають у квантовій динаміці, і ми змогли використати квантовий комп’ютер, щоб перевірити це. Це було головним досягненням робота».

Докторський вчений IBM-Trinity Натан Кінан, який запрограмував пристрій у рамках проекту, розповідає нам про деякі проблеми, пов’язані з програмуванням квантових комп’ютерів.

«Найбільша проблема з програмуванням квантових комп’ютерів полягає у виконанні корисних обчислень за наявності шуму», — сказав він. «Операції, що виконуються на рівні мікросхеми, є недосконалими, а комп’ютер дуже чутливий до перешкод з боку його лабораторного середовища. У результаті ви хочете мінімізувати час виконання корисної програми, оскільки це скоротить час, протягом якого ці помилки та можуть виникнути перешкоди, які вплинуть на ваш результат».

Хуан Бернабе-Морено, директор відділу досліджень IBM у Великобританії та Ірландії, сказав: «IBM має довгу історію розвитку квантових обчислювальних технологій, не лише завдяки проведенню десятиліть досліджень, але й забезпечуючи найбільшу та найширшу комерційну квантову програму та екосистему. Співпраця з Трініті-коледжем Дубліна в рамках програми магістра квантових наук і технологій і докторської програми є прикладом цього, і я радий, що вона вже дає багатообіцяючі результати». Джерело