Партнерство TrinityCollege Dublin и IBM имитирует супердиффузию на квантовом компьютере

Квантовые физики Trinity в сотрудничестве с IBM Dublin успешно смоделировали супердиффузию в системе взаимодействующих квантовых частиц на квантовом компьютере.

Пролить новый свет на физику конденсированных сред и материаловедение

Это первый шаг в выполнении очень сложных расчетов квантового переноса на квантовом оборудовании, и, поскольку аппаратное обеспечение со временем совершенствуется, такая работа обещает пролить новый свет на физику конденсированных сред и материаловедение.

Работа является одним из первых результатов Преддокторская стипендиальная программа TCD-IBMкоторая была недавно создана, когда IBM нанимает аспирантов в качестве сотрудников, одновременно руководя ими в Trinity. Статья была недавно опубликована в ведущих Журнал Nature NPJ Quantum Information.

IBM — мировой лидер в захватывающей области квантовых вычислений. Квантовый компьютер ранней стадии, используемый в этом исследовании, состоит из 27 сверхпроводящих кубитов (кубиты являются строительными блоками квантовой логики) и физически расположен в Лаборатория IBM в Йорктаун-Хайтс в Нью-Йоркеи программируется удаленно из Дублина.

Квантовые вычисления в настоящее время являются одной из самых захватывающих технологий, и ожидается, что в следующем десятилетии они будут приближаться к коммерческим приложениям.

Увлекательные фундаментальные вопросы

Помимо коммерческих приложений, есть увлекательные фундаментальные вопросы, с которыми могут помочь квантовые компьютеры. Команда Trinity и IBM Dublin решила один такой вопрос, касающийся квантового моделирования.

Объясняя значение работы и идею квантового моделирования в целом, профессор Trinity Джон Гулд, директор недавно созданной Квантовый Альянс Тринитикоторый руководил исследованием, сказал: «Вообще говоря, проблема моделирования динамики сложной квантовой системы со многими взаимодействующими составляющими является серьезной проблемой для обычных компьютеров.

«Рассмотрите 27 кубитов на этом конкретном устройстве. В квантовой механике состояние такой системы описывается математически объектом, называемым волновой функцией. Чтобы использовать стандартный компьютер для описания этого объекта, вам требуется огромное количество коэффициентов. хранятся в памяти, а требования экспоненциально растут с количеством кубитов, примерно 134 миллиона коэффициентов в случае этой симуляции.

«Поскольку вы увеличите систему, скажем, до 300 кубитов, вам потребуется больше коэффициентов, чем атомов в наблюдаемой Вселенной, чтобы описать такую ​​систему, и ни один классический компьютер не сможет точно зафиксировать состояние системы. Другими словами, мы упираемся в стену при моделировании квантовых систем.

«Идея использования квантовых систем для моделирования квантовой динамики восходит к американскому физику, лауреату Нобелевской премии Ричарду Фейнману, который предложенный что квантовые системы лучше всего моделировать с помощью квантовых систем.

«Причина проста — вы, естественно, используете тот факт, что квантовый компьютер описывается волновой функцией, тем самым обходя потребность в экспоненциальных классических ресурсах для хранения состояния».

Спиновые цепи

Так что же именно смоделировала команда? Профессор Гулд сказал: «Некоторые из простейших нетривиальных квантовых систем — это спиновые цепочки. Это системы небольших связанных магнитов, называемых спинами, которые имитируют более сложные материалы и используются для понимания магнетизма.

«Нас интересовала модель, называемая цепочкой Гейзенберга, и нас особенно интересовало долговременное поведение того, как спиновые возбуждения переносятся по системе. В этом долговременном пределе квантовые системы многих тел входят в гидродинамический режим и переносят описывается уравнениями, описывающими классические жидкости.

«Нас интересовал особый режим, в котором происходит то, что называется супердиффузией, из-за того, что основная физика управляется чем-то, называемым Кардар-Паризи-Жанг уравнение. Это уравнение обычно описывает стохастический рост поверхности или интерфейса, например, как растет высота снега во время метели, как со временем увеличивается пятно от кофейной чашки на ткани или как пуховый огоньрастет.

«Известно, что распространение дает сверхдиффузионный перенос. Этот перенос становится быстрее по мере увеличения размера системы. Удивительно, что те же самые уравнения, которые управляют этими явлениями, возникают в квантовой динамике, и мы смогли использовать квантовый компьютер для убедиться в этом. Это было главным достижением работы».

Ученый-докторант IBM-Trinity Натан Кинан, который запрограммировал устройство в рамках проекта, рассказывает нам о некоторых проблемах, связанных с программированием квантовых компьютеров.

Выполнение полезных расчетов в присутствии шума

«Самая большая проблема с программированием квантовых компьютеров — выполнение полезных вычислений в присутствии шума», — сказал он. «Операции, выполняемые на уровне чипа, несовершенны, и компьютер очень чувствителен к помехам из своей лабораторной среды. В результате вы хотите свести к минимуму время выполнения полезной программы, так как это сократит время, в течение которого эти ошибки и помехи могут возникнуть и повлиять на ваш результат».

Хуан Бернабе-Морено, директор IBM Research UK & Ireland, сказал: «IBM имеет долгую историю продвижения технологии квантовых вычислений, не только проводя десятилетия исследований, но и предоставляя самую большую и обширную коммерческую квантовую программу и экосистему.

«Наше сотрудничество с Тринити-колледжем в Дублине через Магистр квантовой науки и технологий и PhD, иллюстрирует это, и я рад, что она уже дает многообещающие результаты».

По мере того, как мир вступает в новую эру квантового моделирования, приятно осознавать, что специалисты по квантовой физике Trinity находятся на переднем крае разработки устройств будущего.

Квантовое моделирование является центральным направлением исследований в недавно запущенной Квантовый Альянс Тринити основанная и управляемая профессором Гулдом, которая имеет пять промышленных партнеров-основателей, в том числе IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon и Moodys Analytics.