Квантовий моделювальний пристрій

Багато важливих проблем у фізиці, особливо фізиці низьких температур та фізиці багатьох тіл, залишаються недостатньо вивченими, оскільки основна квантова механіка надзвичайно складна. Звичайні комп'ютери, включаючи суперкомп'ютери, недостатні для імітації квантових систем із 30 частинками. Потрібні кращі обчислювальні інструменти для розуміння та раціонального проектування матеріалів, властивості яких, як вважають, залежать від колективної квантової поведінки сотень частинок.[2][3] Квантові симулятори забезпечують альтернативний шлях до розуміння властивостей цих систем. Ці симулятори створюють чітку реалізацію конкретних систем, що представляють інтерес, що дозволяє точно реалізувати їх властивості. Точний контроль і широка налаштованість параметрів системи дозволяє чітко розрізнити вплив різних параметрів.

Квантові симулятори можуть вирішувати проблеми, які важко моделювати на класичних комп'ютерах, оскільки вони безпосередньо використовують квантові властивості реальних частинок. Зокрема, вони використовують властивість квантової механіки під назвою суперпозиція, при якому квантова частинка одночасно знаходиться у двох різних станах, наприклад, вирівняна у напрямку або проти зовнішнього магнітного поля. Що найважливіше, симулятори також використовують перевагу другої квантової властивості, яка називається заплутаність, що дозволяє корелювати поведінку навіть фізично добре розділених частинок.[2][3][12]

Симулятор на захопленх іонах, побудований командою, яка включала NIST, і про яку повідомлялося у квітні 2012 року, може створювати та контролювати взаємодії серед сотень квантових бітів (кубітів). Попередні зусилля не змогли вийти за рамки 30 квантових бітів. Як описано в науковому журналі Nature, потужність цього симулятора в 10 разів більша, ніж у попередніх пристроїв. Крім того, він пройшов низку важливих тестів порівняльних показників, які вказують на здатність вирішувати проблеми в матеріалознавстві, які неможливо моделювати на звичайних комп'ютерах.

Симулятор на захоплених іонах складається з крихітного кристала з однією площиною із сотнями іонів берилію, діаметром менше 1 міліметра, що левітує всередині пристрою, який називається пастка Пеннінга. Зовнішній електрон кожного іона діє як крихітний квантовий магніт і використовується як кубіт, квантовий еквівалент «1» або «0» у звичайному комп'ютері. В експерименті порівняльного аналізу фізики використовували лазерні промені для охолодження іонів майже до абсолютного нуля. Потім акуратно підібрані мікрохвильові та лазерні імпульси змусили кубіти взаємодіяти, імітуючи квантову поведінку матеріалів, дуже важких для вивчення іншими засобами в лабораторії. Хоча зовні ці дві системи можуть здаватися несхожими, їх поведінка спроектована математично ідентично. Таким чином, симулятори дозволяють дослідникам змінювати параметри, які неможливо змінити в природних твердих речовинах, такі як період кристалічної гратки та геометрія.

Фріденауер та ін. адіабатично маніпулювали 2 спінами, показуючи їх поділ на феромагнітний та антиферомагнітний стани.[13] Кім та ін. розширили квантовий симулятор на захоплених іонах до 3 спінів із глобальними антиферомагнітними взаємодіями Ізінга, що містять насичення та показують зв'язок між насиченням та заплутаністю,[14] а Іслам та ін. використовували адіабатичне квантове моделювання, щоб продемонструвати загострення фазового переходу між парамагнітним та феромагнітним впорядкуванням, оскільки кількість спінів зростала з 2 до 9.[15] Баррейро та ін. створив цифровий квантовий симулятор взаємодіючих спінів з до 5 захопленими іонами шляхом зчеплення з відкритим резервуаром,[16] а Ланьон та ін. продемонстрували цифрове квантове моделювання з до 6 іонами.[17] Іслам та ін. продемонстрували адіабатичне квантове моделювання поперечної моделі Ізінга зі змінними (великими) діапазонами взаємодій аж до 18 спінів іонів, що утримуються, демонструючи контроль рівня розладів спіну шляхом регулювання діапазону антиферомагнітної взаємодії.[18] Britton та ін. від NIST експериментально оцінив взаємодії Ізінга в системі з сотень кубітів для досліджень квантового магнетизму.[19] Пагано та ін. Повідомили про нову криогенну систему захоплення іонів, призначену для тривалого зберігання великих іонних ланцюгів, демонструючи когерентну операцію з одним і двома кубітами для ланцюгів до 44 іонів.[20]

Багато експериментів з ультрахолодними атомами є прикладами квантових симуляторів. Сюди входять експерименти, що вивчають бозони або ферміони в оптичних решітках, унітарний газ Фермі, атом Рідберга в оптичному пінцеті. Спільною ниткою цих експериментів є можливість реалізації загальних гамільтоніанів, таких як Габбардів гамільтоніан або гамільтоніанпоперечного поля Ізінга . Основні цілі цих експериментів включають виявлення низькотемпературних фаз або відстеження нерівноважної динаміки для різних моделей, проблеми, які теоретично та чисельно нерозв'язні.[21][22] В інших експериментах реалізовані моделі конденсованої речовини в станах, які важко або неможливо реалізувати за допомогою звичайних матеріалів, таких як модель Голдена та модель Харпера-Хофштадтера.[23][24][25][26][27]

Квантові симулятори, що використовують надпровідні кубіти, поділяються на дві основні категорії. По-перше, так звані квантові відпалювачі визначають основні стани певних гамільтоніанів після адіабатичного спуску. Цей підхід іноді називають адіабатичні квантові обчислення. По-друге, багато систем наслідують конкретні гамільтоніани і вивчають їх властивості основного стану, квантові фазові переходи або динаміку часу.[28] Кілька важливих останніх результатів включають реалізацію ізолятора Мотта в приводно-дисипативній системі Бозе–Габбарда та дослідження фазових переходів у решітках надпровідних резонаторів, сполучених з кубітами.[29][30]

• Моделювання гамільтоніана

• Deutsch's 1985 paper
• Online Web-based Quantum Computer Simulator (University Of Patras, Wire Communications Laboratory)