Квантовый компьютер напоминает слишком горячий чайник: частицы в нём носятся как попало, и нужно их успокоить, чтобы получить полезный ответ. В новой работе физики придумали, как охлаждать цепочку из 19 квантовых спинов (маленьких магнитиков) прямо на реальном устройстве.
Они использовали приём, похожий на медленное затухание маятника: к системе подключают «трение», которое гасит лишние движения. Оказалось, что такое трение работает даже при очень больших шагах по времени — раньше считалось, что нужно двигаться совсем маленькими шажками. Главное, чтобы у системы было одно-единственное самое холодное состояние, тогда она сама к нему скатится.
Проверка на квантовом компьютере Reimei показала: даже когда в схему закрадываются ошибки, цепочка всё равно приходит к холодному состоянию. А если ошибки аккуратно измерить и вычесть, результат совпадает с идеальным расчётом. Это значит, что метод можно использовать для решения задач о материалах и молекулах.
как её написали авторы, на английском arXiv:2601.08137
We demonstrate a dissipative protocol for ground-state preparation of a quantum spin chain on a trapped-ion quantum computer. As a first step, we derive a Kraus representation of a dissipation channel for the protocol recently proposed by Ding et al. [Phys. Rev. Res. 6, 033147 (2024)] that still holds for arbitrary temporal discretization steps, extending the analysis beyond the Lindblad dynamics regime. The protocol guarantees that the fidelity with the ground state monotonically increases (or remains unchanged) under repeated applications of the channel to an arbitrary initial state, provided that the ground state is the unique steady state of the dissipation channel. Using this framework, we implement dissipative ground-state preparation of a transverse-field Ising chain for up to 19 spins on the trapped-ion quantum computer Reimei provided by Quantinuum. Despite the presence of hardware noise, the dynamics consistently converges to a low-energy state far away from the maximally mixed state even when the corresponding quantum circuits contain as many as 4110 entangling gates, demonstrating the intrinsic robustness of the protocol. By applying zero-noise extrapolation, the resulting energy expectation values are systematically improved to agree with noiseless simulations within statistical uncertainties.
В эксперименте было 4110 квантовых вентилей — операций, которые запутывают частицы. Это как 4110 шагов в танце, где каждый шаг должен быть точным, иначе танец развалится.
Идея «охлаждения» квантовой системы напоминает сюжет фильма «Начало», где герои постепенно погружаются в более глубокие слои сна, чтобы добраться до нужного состояния.