Symulując pole magnetyczne na nadprzewodzącym komputerze kwantowym, badacze mogą badać skomplikowane właściwości materiałów.
Komputery kwantowe mają potencjał do symulowania złożonych materiałów, umożliwiając naukowcom uzyskanie głębszego wglądu we właściwości fizyczne powstające w wyniku interakcji między atomami i elektronami. Może to pewnego dnia doprowadzić do odkrycia lub zaprojektowania czegoś lepszego półprzewodnikiizolatory lub nadprzewodniki, które można wykorzystać do wytwarzania coraz szybszej, mocniejszej i bardziej energooszczędnej elektroniki.
Jednak niektóre zjawiska zachodzące w materiałach mogą być trudne do naśladowania za pomocą komputerów kwantowych, pozostawiając luki w problemach, które naukowcy badali za pomocą sprzętu kwantowego.
Aby wypełnić jedną z tych luk, MIT badacze opracowali technikę generowania syntetycznych pól elektromagnetycznych w nadprzewodzących procesorach kwantowych. Zespół zademonstrował tę technikę na procesorze składającym się z 16 kubitów.
Dynamicznie kontrolując sposób łączenia 16 kubitów w procesorze, badacze byli w stanie emulować ruch elektronów między atomami w obecności pola elektromagnetycznego. Co więcej, syntetyczne pole elektromagnetyczne można w szerokim zakresie regulować, co umożliwia naukowcom badanie szeregu właściwości materiałów.
Emulowanie pól elektromagnetycznych ma kluczowe znaczenie dla pełnego poznania właściwości materiałów. W przyszłości technika ta może rzucić światło na kluczowe cechy układów elektronicznych, takie jak przewodność, polaryzacja i namagnesowanie.
„Komputery kwantowe to potężne narzędzia do badania fizyki materiałów i innych układów mechaniki kwantowej. Nasza praca pozwala nam symulować znacznie więcej bogatej fizyki, która urzekła naukowców zajmujących się materiałami” – mówi Ilan Rosen, postdoc z MIT i główny autor artykułu na temat symulatora kwantowego.
Starszym autorem jest William D. Oliver, profesor elektrotechniki, informatyki i fizyki Henry Ellis Warren, dyrektor Centrum Inżynierii Kwantowej, lider grupy Engineering Quantum Systems i zastępca dyrektora Laboratorium Badawczego Elektroniki. Do Olivera i Rosena dołączają inni pracownicy wydziałów elektrotechniki, informatyki i fizyki oraz laboratorium MIT Lincoln Laboratory. Wyniki badań opublikowano niedawno w Fizyka Przyrody.
Emulator kwantowy
Firmy takie jak IBM i Google starają się budować wielkoskalowe cyfrowe komputery kwantowe, które mogą przewyższyć swoje klasyczne odpowiedniki znacznie szybszym uruchamianiem niektórych algorytmów.
Ale to nie wszystko, co potrafią komputery kwantowe. Można również starannie skonstruować dynamikę kubitów i ich sprzężeń, aby naśladować zachowanie elektronów przemieszczających się pomiędzy atomami w ciałach stałych.
„To prowadzi do oczywistego zastosowania, które polega na wykorzystaniu nadprzewodzących komputerów kwantowych jako emulatorów materiałów” – mówi Jeffrey Grover, pracownik naukowy w MIT i współautor artykułu.
Zamiast próbować budować wielkoskalowe cyfrowe komputery kwantowe do rozwiązywania niezwykle złożonych problemów, badacze mogą wykorzystywać kubity w mniejszych komputerach kwantowych jako urządzenia analogowe do replikacji systemu materialnego w kontrolowanym środowisku.
„Cyfrowe symulatory kwantowe ogólnego przeznaczenia są niezwykle obiecujące, ale wciąż jest do nich daleko. Emulacja analogowa to kolejne podejście, które może przynieść przydatne wyniki w najbliższej przyszłości, szczególnie w przypadku badania materiałów. Jest to proste i wydajne zastosowanie sprzętu kwantowego” – wyjaśnia Rosen. „Korzystając z analogowego emulatora kwantowego, mogę celowo ustawić punkt początkowy, a następnie obserwować rozwój sytuacji w funkcji czasu”.
Pomimo ich dużego podobieństwa do materiałów, istnieje kilka ważnych składników materiałów, których nie można łatwo odzwierciedlić obliczenia kwantowe sprzęt komputerowy. Jednym z takich składników jest pole magnetyczne.
W materiałach elektrony „żyją” na orbitali atomowych. Kiedy dwa atomy znajdują się blisko siebie, ich orbitale nakładają się i elektrony mogą „przeskakiwać” z jednego atom do innego. W obecności pola magnetycznego zachowanie skakania staje się bardziej złożone.
W nadprzewodzącym komputerze kwantowym fotony mikrofalowe przeskakujące między kubitami służą do naśladowania przeskakiwania elektronów między atomami. Ponieważ jednak fotony nie są cząstkami naładowanymi tak jak elektrony, przeskakiwanie fotonów pozostanie takie samo w fizycznym polu magnetycznym.
Ponieważ w symulatorze nie można po prostu włączyć pola magnetycznego, zespół z MIT zastosował kilka sztuczek, aby zsyntetyzować jego działanie.
Strojenie procesora
Naukowcy dostosowali sposób łączenia sąsiednich kubitów w procesorze, aby uzyskać takie samo złożone zachowanie przeskakiwania, jakie powodują pola elektromagnetyczne w elektronach.
Aby to zrobić, nieznacznie zmienili energię każdego kubitu, stosując różne sygnały mikrofalowe. Zwykle badacze ustawiają kubity na tę samą energię, aby fotony mogły przeskakiwać z jednego na drugi. Jednak w przypadku tej techniki dynamicznie zmieniali energię każdego kubitu, aby zmienić sposób, w jaki się ze sobą komunikują.
Precyzyjnie modulując te poziomy energii, badacze umożliwili fotonom przeskakiwanie między kubitami w ten sam złożony sposób, w jaki elektrony przeskakują między atomami w polu magnetycznym.
Ponadto, ponieważ potrafią precyzyjnie dostroić sygnały mikrofalowe, mogą emulować szereg pól elektromagnetycznych o różnej sile i rozkładzie.
Naukowcy przeprowadzili kilka rund eksperymentów, aby określić, jaką energię ustawić dla każdego kubitu, jak silnie je modulować i jaką częstotliwość mikrofal należy zastosować.
„Najtrudniejszym zadaniem było znalezienie ustawień modulacji dla każdego kubitu, tak aby wszystkie 16 kubitów działało jednocześnie” – mówi Rosen.
Kiedy dotarli do właściwych ustawień, potwierdzili, że dynamika fotonów jest zgodna z kilkoma równaniami, które stanowią podstawę elektromagnetyzmu. Wykazali także „efekt Halla”, zjawisko przewodzenia występujące w obecności pola elektromagnetycznego.
Wyniki te pokazują, że ich syntetyczne pole elektromagnetyczne zachowuje się jak prawdziwe.
Idąc dalej, mogliby wykorzystać tę technikę do precyzyjnego badania złożonych zjawisk w fizyce materii skondensowanej, takich jak przejścia fazowe zachodzące, gdy materiał zmienia się z przewodnika w izolator.
„Miłą cechą naszego emulatora jest to, że wystarczy zmienić amplitudę lub częstotliwość modulacji, aby naśladować inny system materiałowy. W ten sposób możemy skanować wiele właściwości materiałów lub parametrów modelu bez konieczności fizycznego wytwarzania za każdym razem nowego urządzenia” – mówi Oliver.
Chociaż praca ta była wstępną demonstracją syntetycznego pola elektromagnetycznego, otwiera ona drzwi do wielu potencjalnych odkryć, mówi Rosen.
„Piękno komputerów kwantowych polega na tym, że możemy dokładnie sprawdzić, co dzieje się w każdej chwili na każdym kubicie, dzięki czemu mamy do dyspozycji wszystkie te informacje. Jesteśmy w bardzo ekscytującym miejscu na przyszłość” – dodaje.
Odniesienie: „Syntetyczny potencjał wektora magnetycznego w 2D nadprzewodnikowej tablicy kubitów” autorstwa Ilana T. Rosena, Sarah Muschinske, Cory N. Barrett, Arkyi Chatterjee, Maxa Haysa, Michaela A. DeMarco, Amira H. Karamlou, Davida A. Rowera, Rabindra Das, David K. Kim, Bethany M. Niedzielski, Meghan Schuldt, Kyle Serniak, Mollie E. Schwartz, Jonilyn L. Yoder, Jeffrey A. Grover i William D. Oliver, 30 października 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02661-3
Prace te są częściowo wspierane przez Departament Energii USA, Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Stanów Zjednoczonych (DARPA), Biuro Badań Armii Stanów Zjednoczonych, Instytut Nauki i Edukacji w Oak Ridge, Biuro Dyrektora Wywiadu Narodowego, NASAoraz Narodową Fundację Nauki.
