Физики реализовали 256-кубитный программируемый квантовый симулятор на нейтральных атомах. Он позволил смоделировать квантовую спиновую модель и обнаружить новые квантовые фазовые переходы. Благодаря возможности контролировать взаимодействие между атомами, дальнейшее увеличение системы позволит реализовывать квантовые алгоритмы на больших размерностях. Препринт опубликован на arXiv.org.
Квантовые симуляторы на разных платформах не перестают опережать друг друга в числе кубитов и возможности решать разные непосильные для классического компьютера задачи. Платформы на нейтральных атомах уже использовали для моделирования квантовых динамических систем, создания многомерной запутанности, параллельных квантовых логических операций и атомных часов. Однако, создание управляемой системы с сильным взаимодействием из более чем ста кубитов остается сложной задачей даже на сегодняшний день. Подробнее о квантовом вычислителе на нейтральных атомах мы писали в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».
Группа ученых под руководством Михаила Лукина (Mikhail D. Lukin) из Гарвардского университета создала программируемый квантовый симулятор с настраиваемым числом кубитов (до 256) и взаимодействием между атомами для моделирования квантовых спиновых систем. В сравнении с предыдущей работой, в которой исследователи использовали одномерную цепочку из 51 атома, новый вычислитель представляет собой двумерную решетку из атомов. Увеличение числа кубитов и атомной структуры позволяет моделировать более сложные системы.
(a) схема получения двумерных матриц из нейтральных атомов, (b)-(d) получение структур с разным расположение возбужденных атомов (в шахматном порядке, в виде сот и треугольников) и их чтение
Источник изображения: Sepehr Ebadi et al. / arXiv.org, 2020
В основе экспериментальной схемы лежит ранее разработанная платформа для создания одномерных цепочек из нейтральных атомов. Комбинация двух наборов оптических пинцетов, первый из которых локализует атомы в неупорядоченную решетку, а второй упорядочивает ее, позволила организовать разные типы двумерных решеток: в виде шахматной доски, сот и треугольников. Важно, что расстояние между атомами в таких решетках разные, поэтому взаимодействие между атомами при возбуждении будет разным для разного типа решетки. Каждый атом может находиться в невозбужденном или высоковозбужденном состоянии — эти состояния соответствуют нулевому и единичному значениям кубита. Для того чтобы перевести атом из основного состояния в возбужденное используют двухфотонный переход (именно поэтому на схеме установки, решетка облучается двумя разными лазерами с двух сторон). Возможности управлять каждым кубитом по отдельности недостаточно для моделирования квантовых систем или реализации квантовых алгоритмов на вычислителе — кубиты должны взаимодействовать между собой. Ключевую роль во взаимодействии нейтральных атомов играет ридберговская блокада. Возбуждение атома увеличивает радиус орбиты электрона и смещает энергетические уровни его соседей, поэтому возбудить их на той же частоте становится невозможно.
Авторы протестировали разработанную экспериментальную схему создания высокоточных антиферромагнитно упорядоченных состояний (структура в виде шахматной доски). Они проверяли схожесть полученных состояний с теоретическими и зафиксировали зависимость того, как часто получается идеальная структура от ее размера.
(a)-(c) флуоресцентное изображение атомов в двумерных решетках и их Фурье-преобразования для трех разных типов фаз, (d) экспериментальные фазовые диаграммы параметра порядка для разных типов решеток, где красным отмечены рассчитанные границы, (e) то же, что и в (d), но предсказанное теоретически
Источник изображения: Sepehr Ebadi et al. / arXiv.org, 2020
Увидеть фазовый переход в системе можно при изменении внешних условий. В отличие от классического случая, квантовые фазовые переходы контролируют нетепловые параметры, то есть они происходят при отсутствии тепловых, но при наличии квантовых флуктуаций. Изменение внешних параметров в квантовом симуляторе осуществляют с помощью расстройки частоты возбуждающего излучения. Ее плавное изменение от отрицательных значений, соответствующим упорядоченной системе, до положительных позволяет наблюдать фазовый переход системы. Исследователи эмпирически рассчитали время, необходимое для того, чтобы процесс фазового перехода был адиабатическим.
Возможность контролировать соотношение между радиусом атома после возбуждения и расстоянием между атомами в решетке позволила получить и изучить новые квантовые фазы. Кроме привычной фазы «шахматная доска», увеличение этого соотношения привело к обнаружению фазы в виде полос и в виде звезды. Названия фаз связаны с фурье-отображением решеток. Ученые подробно исследовали поведение атомов в зависимости от наличия вблизи возбужденных соседей. Как и ожидалось, увеличение числа возбужденных соседей приводило к росту расстройки частоты, которая необходима для возбуждения атома.
(a) схематичное изображение решетки, соответствующей полосатой фазе, красным отмечены возбужденные атомы, синим - нет. (b) два разных состояния на сфере Блоха, (c) вероятность возбуждения атома в зависимости от расстройки частоты, красная кривая - при отсутствии возбужденных соседей по диагонали, голубая - если их 3, синяя - если их 4
Источник изображения: Sepehr Ebadi et al. / arXiv.org, 2020
Помимо создания атомного симулятора с рекордным числом кубитов, изложенный подход к изучению сложных квантовых систем открывает путь для исследования экзотических квантовых фаз и реализации квантовых алгоритмов.
Квантовые вычислители на других физических платформах демонстрируют успехи в решении иных задач. Например, квантовый процессор Sycamore компании Google на сверхпроводниках превзошел классический в генерации случайных числовых строк, а фотонный вычислитель показал свое превосходство в задаче бозонного сэмплинга.
Оксана Борзенкова
