Создан квантовый материал с помощью 53-кубитного квантового процессора IBM и Qiskit

21 декабря 2020 года

Исследователи создали квантовый материал с помощью 53-кубитного квантового процессора IBM и Qiskit

Команда ученых из Университета Чикаго создала квантовый материал, называемый экситонным конденсатом, используя 53-кубитный процессор IBM Quantum Hummingbird.

Hummingbird.jpg

Процессор IBM Quantum Hummingbird r2 (устройство имеет 65 кубитов по сравнению с 53 кубитами r1) (@IBM) 

Конденсаты образуются, когда совокупность атомов или частиц коллапсирует в одно и то же квантовое состояние так, что квантово-механические явления, обычно ограниченные отдельными частицами, теперь могут описывать всю систему. И хотя нам больше известно о конденсатах Бозе-Эйнштейна, конденсаты могут также образовываться из экситонов – связанных состояний заряженных частиц и дырок с противоположным зарядом. Команде исследователей удалось не только создать один из экситонных конденсатов на сверхпроводниковом квантовом компьютере, но и обнаружить новое поведение этих материалов, когда они образовывают группы из более мелких конденсатов. Эксперимент демонстрирует потенциальную мощь квантовых компьютеров для решения проблем на переднем крае физики – даже сегодня на шумных квантовых устройствах.

Пятьдесят лет назад впервые было предсказано, что экситонный конденсат является сверхтекучим: пары частица-дырка текут без потери энергии на трение. Эти сверхтекучие свойства однажды могут оказаться полезными для разработки новых проводников или других более энергоэффективных устройств. Физики обнаружили экситонные конденсаты совсем недавно и только в определенных системах, например, в двух слоях графеновых листов толщиной в один атом в магнитном поле.

Двухслойный графен представляет собой сложнейшую систему для производства экситонных конденсатов, и потому для управления экситонами ученые решили использовать сверхпроводниковый квантовый компьютер на основе кубитов-трансмонов. Трансмоны – это устройства, в которых электрический ток осциллирует около абсолютного нуля, а два нижних энергетических уровня представляют состояния 0 и 1, используемые для вычислений. Поскольку эти осцилляторы подчиняются законам квантовой механики, они могут существовать в состояниях 0 и 1 одновременно, или же их осцилляции могут быть связаны с колебаниями других трансмонов. Взаимодействие пар экситонная частица-дырка происходит аналогично взаимодействию кубитов-трансмонов и подчиняется тем же законам, что дает команде возможность не только создать искусственную систему, которая ведет себя точно так же, как экситонный конденсат, но и выработать способ ее контролировать.

«Мы действительно создали нечто, что можно интерпретировать как экситонный конденсат пар фотон-дырка», – отметил Дэвид Мацциотти, профессор кафедры химии Чикагского университета.

Команда использовала 53-кубитную систему IBM Quantum Hummingbird r1 для создания квантового состояния конденсата, сначала с тремя кубитами (или экситонами), а затем со всеми 53 кубитами. Сначала они применили вентиль Адамара (вентиль суперпозиции) к кубиту 0, затем вентиль CNOT (вентиль запутывания) между кубитами 0 и 1, 1 и 2 и далее, создав чрезвычайно запутанный вентиль Гринбергера – Хорна – Цайлингера (GHZ). Они искали признак возникновения экситонного конденсата путем определения большого собственного значения матрицы плотности, описывающей систему, немного измененную для удаления других известных эффектов, которые также могут приводить к большому собственному значению. Когда модифицированная матрица плотности для квантовой системы была вычислена, появился искомый признак : собственное значение больше 1.

По мере формирования состояния исследователи смогли наблюдать абсолютно новое явление: влияние шума на большой экситонный конденсат. «Конденсат распался на «островки конденсации» или более мелкие единицы экситонного конденсата, прежде чем полностью рассеяться,» – сказала Ли-Энн Сагер, аспирант в группе Мацциотти. – «Островки конденсата были чем-то, чего ни Дэвид, ни я не могли предвидеть. Никогда не знаешь, что произойдет с системой по мере увеличения ее масштабов. Мы думали, что ошибка может быть слишком большой, но система оказалась достаточно стабильной, чтобы мы могли наблюдать этот эффект».

Команда IBM Quantum обеспечила доступ к 53-кубитному процессору в рамках своей программы Academic Partner Program. «Машины, которые мы строим сейчас, приведут к созданию мощных вычислительных устройств в будущем, но даже сегодня они являются чрезвычайно ценными научными инструментами», – отметил Себастьян Хассинджер, руководитель IBM Q Network Academic Partner Program. – «Наша академическая партнерская программа существует, чтобы оказывать исследователям содействие в проведении новых научных экспериментов».

Квантовые компьютеры сегодня – это шумные устройства, которые пока не нашли практического применения в универсальных областях. Однако для физиков даже современные квантовые процессоры воспроизводят самые большие и сложные тесты квантовой механики. Эксперимент с экситонным конденсатом демонстрирует, что даже шумные квантовые устройства могут быть полезны тем, кто работает на переднем крае физики.

Автор: Райан Ф. Мандельбаум, старший технический редактор, IBM Quantum и Qiskit

Источник: Medium.com

Все новости
Новая статья в Coatings Опубликована работа
Новая статья в Coatings
В НОЦ ФМН созданы серебряные пленки, улучшающие свойства с течением времени. Материал найдет применение в области нанофотоники, оптики, квантовых вычислений и коммуникаций.