Эмулируя магнитное поле на сверхпроводящем квантовом компьютере, исследователи могут исследовать сложные свойства материалов.
Квантовые компьютеры обещают эмулировать сложные материалы, помогая исследователям лучше понять физические свойства, возникающие при взаимодействии атомов и электронов. В один прекрасный день это может привести к открытию или разработке более совершенных полупроводников, изоляторов или сверхпроводников, которые можно будет использовать для создания еще более быстрой, мощной и энергоэффективной электроники.
Но некоторые явления, происходящие в материалах, может быть сложно имитировать с помощью квантовых компьютеров, что оставляет пробелы в проблемах, которые ученые исследовали с помощью квантового оборудования.
Чтобы заполнить один из этих пробелов, исследователи из Массачусетского технологического института разработали метод генерации синтетических электромагнитных полей на сверхпроводящих квантовых процессорах. Команда продемонстрировала эту технику на процессоре, состоящем из 16 кубитов.
Динамически контролируя, как 16 кубитов в их процессоре связаны друг с другом, исследователи смогли смоделировать, как электроны перемещаются между атомами в присутствии электромагнитного поля. Кроме того, синтетическое электромагнитное поле широко регулируется, что позволяет ученым исследовать целый ряд свойств материалов.
Эмуляция электромагнитных полей имеет решающее значение для полного изучения свойств материалов. В будущем этот метод может пролить свет на ключевые особенности электронных систем, такие как проводимость, поляризация и намагниченность.
«Квантовые компьютеры являются мощными инструментами для изучения физики материалов и других квантово-механических систем. Наша работа позволяет нам смоделировать гораздо больше богатой физики, которая увлекла материаловедов», — говорит Илан Розен, постдок Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи о квантовом симуляторе.
Старшим автором является Уильям Д. Оливер, профессор электротехники, информатики и физики Генри Эллиса Уоррена, директор Центра квантовой инженерии, лидер группы инженерных квантовых систем и заместитель директора Исследовательской лаборатории электроники. К Оливеру и Розену присоединились другие сотрудники факультетов электротехники и информатики, а также физики, а также лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института. Исследование опубликовано сегодня в журнале Nature Physics.
Квантовый эмулятор
Такие компании, как IBM и Google, стремятся создать крупномасштабные цифровые квантовые компьютеры, которые обещают превзойти свои классические аналоги за счет гораздо более быстрого выполнения определенных алгоритмов.
Но это далеко не все, что могут сделать квантовые компьютеры. Динамика кубитов и их связей также может быть тщательно сконструирована, чтобы имитировать поведение электронов при их движении между атомами в твердых телах.
«Это приводит к очевидному применению, которое заключается в использовании этих сверхпроводящих квантовых компьютеров в качестве эмуляторов материалов», — говорит Джеффри Гровер, научный сотрудник Массачусетского технологического института и соавтор статьи.
Вместо того, чтобы пытаться создать крупномасштабные цифровые квантовые компьютеры для решения чрезвычайно сложных проблем, исследователи могут использовать кубиты в квантовых компьютерах меньшего масштаба в качестве аналоговых устройств для репликации материальной системы в контролируемой среде.
«Универсальные цифровые квантовые симуляторы имеют огромные перспективы, но до них еще далеко. Аналоговая эмуляция — еще один подход, который может дать полезные результаты в ближайшей перспективе, особенно для изучения материалов. Это простое и мощное приложение квантового оборудования», — объясняет Розен. «Используя аналоговый квантовый эмулятор, я могу намеренно установить отправную точку, а затем наблюдать, как разворачивается в зависимости от времени».
Несмотря на их близкое сходство с материалами, в материалах есть несколько важных ингредиентов, которые не могут быть легко отражены на оборудовании квантовых вычислений. Одним из таких ингредиентов является магнитное поле.
В материалах электроны «живут» на атомных орбиталях. Когда два атома находятся близко друг к другу, их орбитали перекрываются, и электроны могут «прыгать» от одного атома к другому. В присутствии магнитного поля это прыгающее поведение становится более сложным.
На сверхпроводящем квантовом компьютере микроволновые фотоны, прыгающие между кубитами, используются для имитации электронов, прыгающих между атомами. Но поскольку фотоны не являются заряженными частицами, как электроны, скачкообразное поведение фотонов в физическом магнитном поле останется прежним.
Поскольку они не могут просто включить магнитное поле в своем симуляторе, команда MIT использовала несколько трюков, чтобы синтезировать эффекты одного из них.
Настройка процессора
Исследователи настроили то, как соседние кубиты в процессоре были связаны друг с другом, чтобы создать такое же сложное поведение скачков, которое электромагнитные поля вызывают в электронах.
Для этого они немного изменили энергию каждого кубита, применяя различные микроволновые сигналы. Обычно исследователи устанавливают кубиты на одну и ту же энергию, чтобы фотоны могли перепрыгивать от одного к другому. Но для этой техники они динамически изменяли энергию каждого кубита, чтобы изменить способ их взаимодействия друг с другом.
Точно модулируя эти энергетические уровни, исследователи позволили фотонам прыгать между кубитами таким же сложным образом, как электроны прыгают между атомами в магнитном поле.
Кроме того, поскольку они могут точно настраивать микроволновые сигналы, они могут эмулировать диапазон электромагнитных полей с различной силой и распределением.
Исследователи провели несколько раундов экспериментов, чтобы определить, какую энергию установить для каждого кубита, насколько сильно их модулировать и какую микроволновую частоту использовать.
«Самой сложной частью было найти настройки модуляции для каждого кубита, чтобы все 16 кубитов работали одновременно», — говорит Розен.
Как только они пришли к правильным настройкам, они подтвердили, что динамика фотонов поддерживает несколько уравнений, которые формируют основу электромагнетизма. Они также продемонстрировали «эффект Холла» — явление проводимости, которое существует в присутствии электромагнитного поля.
Эти результаты показывают, что их синтетическое электромагнитное поле ведет себя как настоящее.
В дальнейшем они могли бы использовать этот метод для точного изучения сложных явлений в физике конденсированных сред, таких как фазовые переходы, которые происходят, когда материал превращается из проводника в изолятор.
«Приятная особенность нашего эмулятора заключается в том, что нам нужно всего лишь изменить амплитуду или частоту модуляции, чтобы имитировать другую материальную систему. Таким образом, мы можем сканировать многие свойства материалов или параметры модели без необходимости каждый раз физически изготавливать новое устройство», — говорит Оливер.
Хотя эта работа была первоначальной демонстрацией синтетического электромагнитного поля, она открывает двери для многих потенциальных открытий, говорит Розен.
«Прелесть квантовых компьютеров заключается в том, что мы можем точно видеть, что происходит в каждый момент времени на каждом кубите, поэтому вся эта информация находится в нашем распоряжении. Мы находимся в очень интересном месте для будущего», — добавляет он.
Эта работа частично поддерживается Министерством энергетики США, Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA), Исследовательским офисом армии США, Институтом науки и образования Оук-Ридж, Офисом директора Национальной разведки, НАСА и Национальным научным фондом.