Вчені розкривають нескінченні можливості квантових станів

Новий метод, розроблений амстердамськими дослідниками, використовує негаусівські стани для ефективного опису та конфігурації квантових спін-бозонних систем, обіцяючи прогрес у квантових обчисленнях і зондуванні.

Багато сучасних квантових пристроїв працюють з використанням груп кубітів або спінів, які мають лише два енергетичні стани: «0» і «1». Однак у реальних пристроях ці спіни також взаємодіють з фотонами та фононами, спільно відомими як бозони, що робить обчислення набагато складнішими. У недавньому дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters, дослідники з Амстердама розробили метод ефективного опису цих спін-бозонних систем. Цей прорив може допомогти в ефективному налаштуванні квантових пристроїв для досягнення конкретних бажаних станів.

Квантові пристрої використовують химерну поведінку квантових частинок для виконання завдань, які виходять за рамки того, що можуть виконувати «класичні» машини, включаючи квантові обчислення, моделювання, зондування, комунікацію та метрологію. Ці пристрої можуть приймати різні форми, такі як сукупність надпровідних ланцюгів або решітка атомів чи іонів, які утримуються на місці лазерами чи електричними полями.

Незалежно від їх фізичної реалізації, квантові пристрої зазвичай описуються спрощеними термінами як набір взаємодіючих дворівневих квантових бітів або спінів. Однак ці спіни також взаємодіють з іншими речами в їх оточенні, такими як світло в надпровідних колах або коливання в решітці атомів або іонів. Прикладами бозонів є частинки світла (фотони) і коливальні моди решітки (фонони).

Інноваційні описи квантових станів

На відміну від спінів, які мають лише два можливих рівні енергії («0» або «1»), кількість рівнів для кожного бозона нескінченна. Отже, існує дуже мало обчислювальних інструментів для опису спінів, пов’язаних із бозонами. У своїй новій роботі фізики Ліам Бонд, Аргаван Сафаві-Наїні та Їржі Мінарж з Амстердамського університету, QuSoft і Centrum Wiskunde & Informatica обходять це обмеження, описуючи системи, що складаються зі спінів і бозонів, за допомогою так званих негаусових станів. Кожен негаусівський стан є комбінацією (суперпозицією) набагато простіших гаусівських станів.

Кожен синьо-червоний візерунок на зображенні вище представляє можливий квантовий стан спін-бозонної системи. «Гаусівський стан виглядав би як звичайне червоне коло без будь-яких цікавих синьо-червоних візерунків», — пояснює доктор філософії Ліам Бонд. Прикладом гаусового стану є лазерне світло, в якому всі світлові хвилі ідеально синхронізовані. «Якщо ми візьмемо багато з цих гаусових станів і почнемо їх перекривати (так що вони будуть у суперпозиції), з’являться ці чудові заплутані моделі. Ми були особливо схвильовані, тому що ці негаусові стани дозволяють нам зберегти багато потужних математичних механізмів, які існують для гаусових станів, і водночас дозволяють нам описати набагато більш різноманітний набір квантових станів».

Бонд продовжує: «Існує так багато можливих шаблонів, що класичним комп’ютерам часто важко їх обчислити та обробити. Натомість у цій публікації ми використовуємо метод, який визначає найважливіші з цих шаблонів і ігнорує інші. Це дозволяє нам вивчати ці квантові системи та розробляти нові способи підготовки цікавих квантових станів».

Новий підхід можна використати для ефективної підготовки квантових станів у спосіб, який перевершує інші традиційно використовувані протоколи. «Швидка підготовка квантового стану може бути корисною для широкого кола застосувань, таких як квантове моделювання або навіть квантове виправлення помилок», — зазначає Бонд. Дослідники також демонструють, що вони можуть використовувати негаусівські стани для підготовки «критичних» квантових станів, які відповідають системі, яка зазнає фазового переходу. Окрім фундаментального інтересу, такі стани можуть значно підвищити чутливість квантових сенсорів.

Хоча ці результати є дуже обнадійливими, вони є лише першим кроком до більш амбітних цілей. Наразі метод було продемонстровано для одного обертання. Природним, але складним розширенням є включення багатьох обертів і багатьох бозонних режимів одночасно. Паралельним напрямком є ​​врахування впливу навколишнього середовища, що порушує системи спін-бозонів. Обидва ці підходи активно розвиваються.