Физики обнаружили новый тип квазичастиц: основа для компьютеров будущего
Российские физики доказали существование экзотических частиц, которые в будущем помогут усовершенствовать вычислительные системы на основе кубитов
На сегодняшний день сверхпроводящие кубиты являются одним из популярных и перспективных типов кубитов. Кубиты чаще всего используют для создания квантовых вычислительных устройств. При этом основными проблемами универсальных квантовых компьютеров являются декогеренция – потеря кубитами квантового состояния, которая приводит к ошибкам в ходе вычислений, и организация управляемой работы очень большого числа кубитов.
Квантовые симуляторы на основе метаматериалов – это альтернативный подход к квантовым вычислениям. В отличие от универсальных квантовых компьютеров, им не требуется большое количество управляющей электроники. Идея этого подхода заключается в том, чтобы создать из кубитов искусственную материю, физика которой будет подчиняться тем же уравнениям, что и у какого-то реального вещества. Можно, наоборот, запрограммировать симулятор таким образом, чтобы воплотить материю со свойствами, которые в природе до сих пор обнаружить не удавалось.
Системы из сверхпроводниковых кубитов в общем случае описываются моделью Бозе-Хаббарда. При этом из-за сильной квантовой нелинейности в данной модели могут возникать так называемые дублоны – т.е. связанное состояние двух фотонов. И хотя топологические свойства дублонов уже подробно описаны теоретически, их экспериментальные подтверждения до сих пор отсутствовали.
С целью изучения важных топологических свойств дублонов группа ученых из НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра, Университета ИТМО, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ВНИАА и Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН построили квантовый симулятор на основе сверхпроводниковых кубитов. Квантовые симуляторы предназначены для решения узкоспециализированных квантовых задач связанных, например, с моделированием сложных систем с большим числом частиц. Работа была опубликована в журнале Physical Review B.
«Измеряя свойства кубитов, мы можем делать выводы о более широком классе физических систем, описываемых теми же самыми уравнениями. А если мы можем управляемым образом менять параметры этих уравнений, то такое устройство можно считать "специализированным симулятором". Конечно, программируемость у него не такая, как у универсального квантового компьютера, но его масштабирование требует значительно меньшего количества ресурсов», — поясняет основной автор исследования Илья Беседин, младший научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС».
Учеными была реализована цепочка из сверхпроводниковых кубитов-трансмонов с чередующейся связью. Благодаря чередованию сильной и слабой связи в этой системе возникают две зоны и краевое состояние. Такое состояние относится к топологическим. Более того, эксперимент показал, что дублоны тоже формируют краевое состояние, но не со стороны слабой связи, а со стороны сильной связи.
«Нам удалось увидеть, как дублоны формируют эти зоны, и даже удалось обнаружить как на верхнем краю дублонной зоны, по мере того, как мы увеличивали длину цепочки, начинает возникать краевое дублонное состояние», — отмечает Илья Беседин.
Таким образом, российским ученым впервые удалось продемонстрировать, что цепочках кубитов могут возникать новый тип квазичастиц — дублонные топологические возбуждения.
«Исследования сверхпроводниковых кубитов и квантовых схем сейчас ведутся во многих странах мира, и конкуренция в этой области растет. Эта работа с использованием 11 кубитов убедительно демонстрирует высокий научный уровень, достигнутый в России в области квантовых вычислений на основе сверхпроводников. Сейчас это особенно актуально и открывает очень хорошие перспективы для развития квантовых вычислений в России.» — говорит заведующий лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и руководитель группы в Российском квантовом центре, профессор, доктор физ.-мат. наук Алексей Устинов.
Материал предоставлен пресс-службой НИТУ «МИСиС»