квантовый симулятор

# тег · @ автор · ! учёный

Квантовый симулятор — это аналоговая экспериментальная платформа, использующая точно контролируемую квантовую систему для изучения поведения другой, менее доступной. В отличие от универсального квантового компьютера, симулятор не нуждается в полной коррекции ошибок и легче масштабируется. Популярные реализации: ионы в ловушках Пауля, сверхпроводящие цепи, фотонные чипы и оптические решётки с нейтральными атомами.

История

Идею высказал Ричард Фейнман в 1982 году: для моделирования квантового мира нужны квантовые устройства. Первые работающие симуляторы на основе атомных конденсатов Бозе-Эйнштейна появились в начале 2000-х.

Как работает

Исследователи создают облачко атомов в особом состоянии — конденсате Бозе-Эйнштейна, где все частицы движутся как одна «квантовая жидкость». Потом с помощью лазеров формируют «световой кристалл» (оптическую решётку) с нужной геометрией. Меняя яркость лазеров и внешние магниты, они программируют условия, подражающие интересующей системе. Фотография распределения атомов в конце опыта даёт ответ.

💡 В 2012 году симулятор из 300 атомов в оптической решётке воспроизвёл антиферромагнитное упорядочение — ключевой эффект, предположительно отвечающий за высокотемпературную сверхпроводимость.

Квантовый симулятор — это специальный «прибор-подражатель». Чтобы понять, как ведут себя электроны в труднодоступном материале, берут облачко ультрахолодных (охлаждённых практически до абсолютного нуля) атомов и запирают их в оптическую решётку (сетку из пересекающихся лазерных пучков, создающую периодические ячейки). Атомы в такой решётке движутся и взаимодействуют почти по тем же правилам, что и электроны в кристалле, поэтому, изучая атомы, мы узнаём об электронах.

История

Как работает

💡 Рекордный двумерный симулятор на оптической решётке содержит свыше десяти тысяч атомов — это самый крупный рукотворный квантовый многочастичный объект.

Квантовый симулятор — специализированное квантовое устройство, реализующее управляемый гамильтониан H_sim, изоморфный (или в достаточной степени приближающий) гамильтониану целевой системы H_target. В аналоговом варианте параметры H_sim напрямую программируются через внешние поля и потенциалы минимальными возмущениями; в цифровом варианте временная эволюция e^{−iH_target t} разлагается в последовательность универсальных вентилей (разорванная троттеризация). Симулятор решает проблему экспоненциального роста размерности гильбертова пространства, заменяя вычисление прямым квантовым экспериментом.

История

Концепция предложена Ричардом Фейнманом (1982) и развита Дэвидом Дойчем (1985), указавшими на экспоненциальную сложность классического моделирования квантовой динамики. Практическая эра началась с реализации конденсатов Бозе-Эйнштейна (1995) и оптических решёток (2002), когда удалось смоделировать переход «сверхтекучесть — моттовский изолятор». С тех пор платформы расширились: в 2012 году ионные цепочки продемонстрировали магнитное упорядочение, а в 2019 году сверхпроводящие кубиты воспроизвели динамику космологических фазовых переходов.

Как работает

В базовой реализации с нейтральными атомами ансамбль бозонов охлаждается до вырождения и загружается в периодический потенциал, создаваемый интерференцией лазерных лучей. Эффективный гамильтониан описывается моделью Бозе-Хаббарда: туннелирование J между соседними узлами и взаимодействие U двух атомов на одном узле. Регулируя глубину решётки, контролируют отношение J/U, что позволяет наблюдать квантовый фазовый переход. Измерения: время-пролётная спектроскопия даёт распределение по импульсам, а квантовый газовый микроскоп — позиции отдельных атомов. Цифровые симуляторы на ионах используют лазерные импульсы для реализации наборов универсальных вентилей и алгоритмической троттеризации.

H = -J \sum_{\langle i,j \rangle} (a_i^{\dagger} a_j + h.c.) + \frac{U}{2} \sum_i n_i (n_i - 1)

J — энергия туннелирования между соседними узлами i и j, a_i^{\dagger}, a_i — операторы рождения и уничтожения бозона на узле i, U — энергия взаимодействия двух атомов на одном узле, n_i = a_i^{\dagger} a_i — оператор числа частиц, h.c. — эрмитово сопряжение.

Открытые проблемы и интересные факты

Неидеальность приготовления начального состояния и паразитные шумы ограничивают точность и размер симулируемой системы.; Для многих актуальных задач число требуемых частиц или времена эволюции всё ещё недосягаемы.; Верификация работы симулятора становится принципиально невозможной, когда классическое моделирование не даёт эталонного ответа.

Пока нет статей

квантовый симулятор

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме