Гелиос-1: новый квантовый компьютер находится на пути к раскрытию сверхпроводимости

Исследователи из компании Quantinuum, специализирующейся на квантовых вычислениях, использовали новый квантовый компьютер Helios-1 для моделирования математической модели, которая уже давно используется для изучения сверхпроводимости. Эти симуляции вполне доступны для обычных компьютеров, но это достижение создает основу для того, чтобы квантовые компьютеры стали полезными. инструменты для материаловедения.

Сверхпроводники проводят электричество с идеальной эффективностью, но в настоящее время они работают только при температурах, слишком низких, чтобы их можно было использовать на практике. На протяжении десятилетий физики пытались понять, как настроить их структуру, чтобы заставить их работать на комнатная температураи многие полагают, что ответы можно найти в математической системе, называемой моделью Ферми-Хаббарда. Этот потенциал делает ее одной из наиболее важных моделей во всей физике конденсированного состояния, говорит представитель Quantinuum. Хенрик Дрейер.

Обычные компьютеры могут выполнять исключительное моделирование модели Ферми-Хаббарда, но с трудом справляются с очень большими выборками или случаями, когда описываемые ею материалы меняются со временем. У квантовых компьютеров есть шанс в конечном итоге добиться большего. Теперь Дрейер и его коллеги провели крупнейшее на сегодняшний день моделирование модели Ферми-Хаббарда на квантовом компьютере.

Они использовали Гелиос-1, имеющий 98 кубитов, состоящих из ионов бария, каждый из которых управляется лазерами и электромагнитными полями. Чтобы запустить симуляцию, исследователи манипулировали кубитами через последовательность квантовых состояний, а затем считывали выходные данные, измеряя их свойства. Их моделирование включало 36 частиц, называемых фермионами, которые являются именно тем типом частиц, которые существуют в реальных сверхпроводниках и математически описываются моделью Ферми-Хаббарда.

Чтобы сверхпроводник работал, фермионы должны образовать пары, и эксперименты показали, что такое спаривание иногда можно инициировать, воздействуя на материал лазером. Команда Quantinuum смоделировала этот сценарий: они воздействовали на кубиты лазерным импульсом, а затем измеряли результирующие состояния, находя признаки спаривания смоделированных частиц. Моделирование не в точности повторяло эксперименты, но оно отражало динамический процесс, который затруднителен для традиционных компьютерных методов, когда он применяется к более чем нескольким частицам.

Дрейер говорит, что новый эксперимент не является строгим доказательством того, что Гелиос-1 имеет преимущество перед всеми возможными традиционными вычислительными подходами, но изучение классических методов моделирования убедило его команду в том, что квантовый компьютер может конкурировать. «Для методов, которые мы пробовали, было невозможно надежно получить те же результаты, мы рассчитывали на пару часов работы на квантовом компьютере и большой вопросительный знак на классической стороне вещей», — говорит он. Другими словами, по оценкам команды, время классических вычислений было настолько большим, что было трудно сказать, когда они будут сопоставимы с работой Гелиоса.

Другие квантовые компьютеры еще не занимались моделированием спаривания фермионов для достижения сверхпроводимости, и команда приписывает свой успех Аппаратное обеспечение Гелиоса. Дэвид Хейстакже из Quantinuum, говорит, что кубиты Helios исключительно надежны и превосходно справляются с задачами сравнительного анализа, распространенными в индустрии квантовых вычислений. В ходе предварительных испытаний он также мог бы выдерживать эксперименты с устойчивые к ошибкам кубиты, включая соединение 94 таких специальных кубитов посредством квантовой запутанности, что является рекордом для всех квантовых компьютеров. Использование таких кубитов в будущих симуляциях может сделать их более точными.

Эдуардо Ибарра Гарсиа Падилья В колледже Харви Мадда в Калифорнии говорят, что новые результаты являются многообещающими, но их еще необходимо тщательно сопоставить с современными классическими компьютерными симуляциями. Он говорит, что модель Ферми-Хаббарда представляет большой интерес для физиков с 1960-х годов, поэтому очень интересно иметь новый инструмент для ее изучения.

Когда именно подходы, подобные тем, которые использовались в Гелиос-1, станут настоящими конкурентами лучшим обычным компьютерам, остается только догадываться, поскольку необходимо проработать еще много деталей, говорит он. Стив Уайт в Калифорнийском университете в Ирвайне. Например, он говорит, что существуют проблемы с тем, чтобы моделирование квантового компьютера началось с правильного набора свойств кубита. Тем не менее, Уайт говорит, что квантовое моделирование может стать дополнением к классическому, особенно в отношении динамического или изменяющегося поведения материалов.

«Они скоро станут полезными инструментами моделирования конденсированных сред. [physics]”, – говорит он. – Но они все еще находятся на ранних стадиях, и вычислительные барьеры еще впереди”.

Ссылка: arXivДОИ: 10.48550/arXiv.2511.02125