2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Russische Physiker haben einen Fünf-Qubit-Quantencomputer entwickelt und damit ein System von Atomen simuliert, die Photonen austauschen. Der Rechner war eine Kette von fünf supraleitenden Qubits – Transmonen, von denen jedes eine Zelle simulierte, in der sich Atome befinden können. Die Autoren verwendeten das Bose-Hubbard-Modell, um die Bewegung von Photonen zwischen künstlichen Atomen zu beschreiben und zeigten, dass das Experiment und die Simulationen zu diesem Modell passen. Die Arbeit wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.
Im Gegensatz zum Hubbard-Modell, das die Bewegung von Elektronen (Elektronen sind Fermionen) im Kristallgitter eines Festkörpers simuliert, eignet sich das Bose-Hubbard-Modell zur ungefähren Beschreibung der Wechselwirkung von Bosonen (daher das „Bose“im Namen) in einem räumlichen Gitter. Als häufigste Implementierung des Modells gilt ein optisches Gitter mit ultrakalten Atomen – eine der Plattformen für Quantencomputing. Auf der Grundlage einer solchen Plattform ist es Wissenschaftlern bereits gelungen, experimentelle Gitter mit mehreren Millionen Zellen zu erstellen, während klassische Rechner in der Lage sind, 100.000-mal kleinere Gitter genau zu simulieren.
Trotz der Tatsache, dass ultrakalte Atome immer noch eine geeignete Plattform für die Implementierung des Bose-Hubbard-Modells sind, hat eine Gruppe von Wissenschaftlern des Russischen Quantenzentrums, des Moskauer Instituts für Physik und Technologie, der National Research Technological University MISIS und des V. I. NL Dukhov unter der Leitung von Alexei Ustinov (A. V. Ustinov) zeigte, dass sich auch eine Plattform aus supraleitenden Qubits für diese Aufgabe eignet. Bei der Modellierung und experimentellen Umsetzung eines Modells zur Untersuchung der Wechselwirkung und Bewegung von Photonen in einem eindimensionalen Raumgitter beschränkten sich die Autoren auf fünf Zellen. Es gelang ihnen, das Verhalten des Systems zu finden, das die klassische Theorie nicht beschreiben kann, und den Einfluss kontrollierter Unordnung auf den Transport von Photonen zu untersuchen.
(a) ein Bild des Versuchsgeräts; Wellenleiter für die Ein- und Ausgabe von Strahlung sind gelb markiert, Transmons sind grün, Resonatoren zum Lesen von Informationen aus dem Transmon sind orange und rote Linien zeigen die Transmonsteuerung an, (b) Bose-Hubbard-Modell für (a): Ω ist verantwortlich für die Einführung ein Photon in das Gitter, Γ – für den Austritt von Photonen aus den äußersten Zellen und J – für die Bewegung von einer Zelle zur anderen; ℏωi ist die Energie eines lokalisierten Photons in der i-ten Zelle, wobei die Zugabe eines weiteren Photons die Energie um ℏαi < 0 ändert (c) Schema zur Messung von Transmissionsspektren, (d) Verschiebung der Pumpfrequenz im Kreuz- Kerr-Spektroskopie
Die Autoren stellten eine Platine mit einer Kette von fünf supraleitenden Qubits her, von denen jedes einzeln angesteuert werden konnte. Mikrowellenstrahlung ging durch diese gesamte Kette, und ihre Amplituden-Phasen-Frequenz-Charakteristik des Ausgangs trug Informationen darüber, was in der Schaltung vor sich ging.
Aus Sicht des Bose-Hubbard-Modells kann das experimentelle Schema als eine Kette von Zellen dargestellt werden, von denen jede ein oder mehrere Photonen enthalten kann, sich Photonen zwischen den Zellen bewegen (tunneln) können und Photonen aus den äußersten Zellen kann die Kette verlassen.
Die Autoren änderten die Parameter von zwei verschiedenen Zellen – der äußersten linken und der mittleren – und verglichen dann die Ergebnisse. Wie von der Theorie vorhergesagt, führte der Einfluss auf die äußerste Zelle zu Veränderungen in jeder Zelle, und die Veränderung des Mittelwerts betraf nur die geraden Zellen. Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler Merkmale des Amplituden-Phasen-Frequenzgangs erkennen, die sich im Rahmen der klassischen Theorie einer Beschreibung entzogen. Eine Leistungssteigerung der einfallenden Strahlung führt zu einer Photonenblockade, und das Verhalten der Kette kommt dem Verhalten einzelner supraleitender Qubits nahe.
Eine Untersuchung des Einflusses von Unordnung auf die Transmonenkontrolle zeigte, dass bei Erreichen eines ausreichenden Pegels die Anregung des ersten Qubits aufhört, das letzte zu erreichen - dies ähnelt dem Verhalten des Supraleiter-Isolator-Übergangs (das ursprüngliche Ziel der Beschreibung mit dem Bose -Hubbard-Modell).
Physiker planen, größere Simulationen zu erstellen, um andere komplexere theoretische Annahmen zu testen und in Zukunft die Quantenüberlegenheit zu demonstrieren.
Die Plattform des ersten Experiments zum Nachweis der Quantenüberlegenheit sind übrigens Supraleiter. Trotz der Tatsache, dass chinesische Wissenschaftler einen signifikanten Unterschied in der Rechenzeit eines Quantensimulators und eines klassischen Computers bestritten haben, hat der im Experiment vorgeschlagene Algorithmus seine Vorteile.
