Ученым из НИТУ «МИСиС», МФТИ, РКЦ, МГТУ им. им. Н. Э. Баумана и ВНИИА им. Духова удалось с помощью квантового симулятора быстро решить сложную физическую задачу, на просчет которой у обычного суперкомпьютера ушла неделя. Исследование открывает новые перспективы как в области применения квантовых симуляторов, так и в квантовой оптике многочастичных квантовых систем. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Квантовые симуляторы представляют собой аналоговые устройства, в которых управляемые квантовые объекты имитируют и эффективно предсказывают поведение реальных квантовых систем. Такие симуляторы используются для разработки эффективных алгоритмов для компенсации ошибок, возникающих в квантовых системах, отработки настроек квантовых систем и т.д. По сути, квантовые симуляторы являются шагом на пути к созданию универсальных квантовых компьютеров.
Российские исследователи использовали такой симулятор, состоящий из пяти сверхпроводящих кубитов для просчета модели Бозе-Хаббарда, которая подходит для описания множества процессов в квантовом мире, в том числе и тех, которые происходят в квантовых компьютерах. В ходе эксперимента ученые впервые продемонстрировали, что линейные массивы сверхпроводящих кубитов-трансмонов могут быть использованы для изучения перехода «сверхпроводник — изолятор» в модели Бозе-Хаббарда. Работу кубитов в такой системе можно настроить таким образом, что они будут имитировать поведение фотонов или другие бозонов внутри модели Бозе-Хаббарда, что позволяет просчитывать поведение большого числа частиц за относительно короткое время. Так, решение задачи с помощью квантового симулятора заняло всего два часа. При этом последующая проверка экспериментальных данных на суперкомпьютере показала блестящее соответствие между теорией и измерениям.
Результаты эксперимента демонстрируют, что разработка подобных систем с большим числом кубитов позволит наблюдать поведение моделей, сложность расчета которых лежит далеко за пределами возможностей большинства суперкомпьютеров. Также исследователи отмечают простоту масштабирования квантовых симуляторов. Исследование российских ученых открывает новые перспективы в области применения квантовых симуляторов и в квантовой оптике многочастичных квантовых систем.