7 Minuten
Kvantinės mašinos atskleidžia naujas materijos būsenas
Mokslininkai, naudodami programuojamą kvantinį procesorių, pranešė apie pirmąją eksperimentinę egzotiškos, ne pusiausvyros būsenos materijos realizaciją: Floquet topologiškai užsakytą būseną. Šis atradimas, pasiektas ant superlaidžių kubitų įrenginio, demonstruoja, kad kvantiniai kompiuteriai gali funkcionuoti kaip laboratorinės platformos, skirtos tirti fazes, kurios neegzistuoja įprastinėmis pusiausvyros sąlygomis. Eksperimentą atliko tyrėjai iš Miuncheno technikos universiteto (TUM), Princeton universiteto ir Google Quantum AI, o rezultatai paskelbti žurnale Nature.
Šis straipsnis paaiškina mokslinį kontekstą apie Floquet ir ne pusiausvyros fazes, apibendrina eksperimentinį metodą, pabrėžia pagrindinius atradimus ir pasekmes kvantinei simuliacijai bei kvantinei technologijai, ir pateikia ekspertų komentarą apie rezultatą bei jo ateities perspektyvas.
Mokslinis fonas: pusiausvyra vs. ne pusiausvyra ir Floquet užsakymo reikšmė
Daugumą mums pažįstamų materijos fazių—kietąją, skystąją, dujinę—aiškiname pagal terminodinamikos pusiausvyrą, kai makroskopinės savybės laike išlieka pastovios. Priešingai, ne pusiausvyros kvantinės fazės apibrėžiamos laike kintančia dinamika ir raštais, kurie atsiranda tik tada, kai sistema yra veikiama išorinio lauko arba kitaip išlaikoma už pusiausvyros ribų. Tokios fazės gali rodyti elgsenas ir užsakymus, neturinčius ekvivalentų pusiausvyroje.
Ryški klasė tokių varytų kvantinių sistemų yra Floquet sistemos, pavadintos matematikos mokslininko Gaston Floquet garbei. Fizikoje Floquet sistema yra periodiškai varyta sistema: Hamiltonianas arba valdymo seka taikoma kartojant laiką. Periodinis varymas gali sukurti efektyvius Hamiltonianus ir iškilti užsakymus, kurie neveikia statinėmis sąlygomis. Viena įdomi galimybė yra Floquet topologinė tvarka: topologiniai raštai, atsirandantys stroboskopinėje, laike priklausomoje sistemos evoliucijoje, o ne iš statinės žemiausios energijos būsenos. Topologinė tvarka kvantinėje materijoje siejama su globaliomis, atspariomis savybėmis—dažnai susijusiomis su krašto režimais arba dalelinio tipo ekscitacijomis—kurios yra nejautrios vietinėms perturbacijoms. Kai tokias savybes palaiko periodinis varymas, atsiranda nauji dinaminiai reiškiniai, įskaitant kryptingai linkusius krašto srautus ir egzotišką dalelių „transmutaciją“ evoliucijos metu.
Šių ne pusiausvyros, stipriai susietų fazių supratimas yra tiek teorinė, tiek skaičiavimo problema, nes klasikinės skaitmeninės technikos sunkiai fiksuoja stipriai koreliuotą kvantinę dinamiką daugelyje laipsnių laisvės. Ši apriba yra viena iš priežasčių, kodėl kuriami kvantiniai procesoriai kaip eksperimentiniai simuliatoriai sudėtingai kvantinei materijai tirti.
Eksperimentas ir metodai: kvantinis kompiuteris kaip kvantinė laboratorija
Įranga: 58 superlaidūs kubitai
Komanda eksperimentą atliko ant 58 kubitų superlaidžio kvantinio procesoriaus, kurį pateikė Google Quantum AI. Superlaidūs kubitai yra viena iš pirmaujančių programuojamų kvantinių įrangų platformų; jie leidžia tiksliai valdyti sąveikas ir vietines operacijas, kas suteikia galimybę įgyvendinti specialiai paruoštas sekas Floquet varymui realizuoti.
Protokolas: Floquet varymas, krašto vaizdavimas ir interferometrija
Tyrėjai sukonstravo daugiažingsnį periodinį varymą, kuris, taikomas kartotinai kubitų masyvui, sukėlė požymius, lauktus Floquet topologinės tvarkos atveju. Dvi eksperimentinės galimybės buvo esminės: (1) tiesioginis nukreiptos krašto judėjimo vaizdavimas—fizinis ekscitacijų plitimo aplink kubitų tinklo ribą atvaizdavimas; ir (2) naujas interferometrinis algoritmas, skirtas tirti globalius topologinius invariantus, koduotus laike vykstančioje evoliucijoje. Kartu šie matavimai suteikė tiek lokalų dinaminį vaizdą (krašto srautai, judantys pageidaujama kryptimi), tiek globalų įrodymą (fazės vingis ir topologiniai žymenys), kad sistema užėmė numatytą Floquet topologinę fazę.
Komanda taip pat pastebėjo dinaminių dalelių transmutacijos formą, teorinis šios ne pusiausvyros topologinės tvarkos požymis: ekscitacijos keičia savo pobūdį, keliaudamos per varytą sistemą ir periodinį ciklą, kas atitinka topologinius apribojimus, nustatytus Floquet protokolu.
Pagrindiniai atradimai ir mokslinės pasekmės
- Pirmoji eksperimentinė realizacija: šis eksperimentas yra pirmasis tiesioginis Floquet topologiškai užsakytos būsenos stebėjimas valdomame, programuojamame kvantiniame įrenginyje. Iki šio darbo fazė buvo siūlyta teorijoje, tačiau trūko eksperimentinio patvirtinimo.
- Krašto dinamika ir topologija: vaizduodami krašto judėjimą ir taikydami interferometrinius tyrimus, tyrėjai susiejo lokalius dinaminius reiškinius (nukreipti ribiniai srautai) su globalia topologine struktūra, eksperimentaliai parodydami, kaip periodinis varymas gali sukurti atsparų, kryptingą judėjimą, apsaugotą sistemos topologijos.
- Kvantiniai procesoriai kaip atradimų įrankiai: rezultatai sustiprina augantį paradigmą, kad kvantiniai procesoriai tarnauja ne tik kaip skaičiavimo mašinos, bet ir kaip eksperimentinės platformos kvantinei simuliacijai. Jie leidžia paruošti, valdyti ir matuoti daugiastruktūrinės kvantines būsenas, kurių klasikinis aparatas negali patikimai apdoroti.
- Platesnės pasekmės: ne pusiausvyros topologinių fazių stebėjimas atveria naujas kryptis fundamentinėje fizikoje—gilinant supratimą apie laiko priklausomą užsakymą, kvantinę susietumą ir topologinę apsaugą. Taikomuosiuose tyrimuose šie reiškiniai gali įkvėpti tvirtų kvantinės informacijos protokolų, topologiškai apsaugotų kvantinių atmintinių ar inžinerinių medžiagų su kontroliuojama dinamika dizainą.
Ekspertų įžvalga
Dr. Karen Alvarez, kondensuotosios materijos fizikė ir mokslo komunikatorė, komentavo: "Šis eksperimentas aiškiai parodo, kad programuojami kvantiniai įrenginiai gali realizuoti išties naujas materijos fazes. Aukštos tikslumo kontrolės ir tikslingo interferometrinio nuskaitymo derinys leido komandai pereiti nuo teorinio spėjimo prie empirinio stebėjimo. Toks gebėjimas pagreitins tiek fundamentalius atradimus, tiek praktinius pasiekimus kvantinėse technologijose."
Šis ekspertų komentaras atspindi, kaip rezultatas sujungia teoriją, eksperimentą ir įrenginių inžineriją, ir kodėl galimybė tiesiogiai tirti dinamiką kvantiniame procesoriuje yra svarbi būsimiesiems tyrimams.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Mastelis ir koherencija: didesni kubitų masyvai bei koherencijos laikų ir vartų tikslumo gerinimas lems sudėtingesnių ne pusiausvyros fazių paruošimą ir tyrimą. Mastelio didinimas yra būtinas aptikti topologines tvarkas su ilgesnėmis koreliacijų ilgio skalėmis ir sumažinti baigtinio dydžio efektus.
Algoritminiai patobulinimai: interferometrinis algoritmas, pristatytas šiame darbe, yra pavyzdys specializuotų kvantinių protokolų, praplėčiančių matavimo įrankių rinkinį kvantiniuose procesoriuose. Būsimi algoritminiai pasiekimai gali apimti klaidų mažinimui skirtą tomografiją, atsitiktinumo pagrindu pritaikytą many-body vertinimą ir variacines metodikas egzotiškoms varytoms būsenoms paruošti.
Panaudojimai kvantinėje informacijoje: topologiškai apsaugoti reiškiniai—tiek statiniai, tiek varyti—yra patrauklūs kvantinei informacijai, nes gali suteikti natūralų atsparumą tam tikroms triukšmo rūšims. Nors praktinis topologinis kvantinis skaičiavimas išlieka ilgalaikiu tikslu, Floquet inžinerinė apsauga gali pasiūlyti tarpinio lygio priemones qubitų atsparumui didinti arba apsaugotų vartų įgyvendinimui.
Tarpdisciplininės galimybės: Floquet topologinės tvarkos tyrimai kertasi su kondensuotosios materijos fizika, kvantine informacija ir medžiagų inžinerija. Tokie kvantinės simuliacijos eksperimentai kaip šis padės formuoti teorinius modelius, vadovauti varytų medžiagų paieškai su naujomis savybėmis ir įtakoti nanofabrikacijos bei įrenginių valdymo strategijas.
Baigiamasis eksperimentinis akcentas
TUM–Princeton–Google bendradarbiavimas rodo, kad programuojami kvantiniai procesoriai jau pakankamai subrendo, jog imituotų ir atskleistų anksčiau nematytas ne pusiausvyros materijos fazes. Sujungę tikslią 58 kubitų superlaidžio masyvo kontrolę su naujais interferometriniais matavimo protokolais, komanda teorinius Floquet topologinės tvarkos prognozes pavertė empirinėmis realijomis. Eksperimentas atveria kelią sisteminei varytos kvantinės materijos tyrimui, skatina kvantinės kilmės matavimo metodų plėtrą ir pabrėžia kvantinių įrenginių potencialą veikti kaip atradimų platformos, o ne vien tik skaičiuotuvai.
Išvados
Ši Floquet topologiškai užsakytos būsenos eksperimentinė realizacija žymi reikšmingą etapą kvantinės simuliacijos ir kondensuotosios materijos fizikos srityse. Ji rodo, kad periodinis varymas programuojamame superlaidžių kubitų masyve gali sukurti atsparią, kryptingą krašto dinamiką ir globalius topologinius požymius, kurie anksčiau egzistavo tik teorijoje. Be savo fundamentinės reikšmės, darbas signalizuoja pasikeitimą tyrėjų požiūryje į sudėtingų kvantinių sistemų studijas: kvantiniai procesoriai tampa lankstžiomis laboratorijomis ne pusiausvyros būsenų tyrimui, naujų kvantinių algoritmų kūrimui ir galimai topologiškai apsaugotų kvantinių technologijų inžinerijai. Rezultatas praplečia mūsų supratimą apie tai, kokios materijos fazės gali egzistuoti, kai prie kvantinio įrankių arsenalo pridedamas laiko valdymas, ir atveria daug krypčių tolimesniems tyrimams kvantinės informacijos, medžiagų mokslo ir fundamentinės fizikos sankirtoje.
Quelle: scitechdaily
Kommentare