Исследование с названием "Quantum simulator combines digital and analog modes to calculate physical processes with unprecedented precision" было опубликовано 5 февраля в журнале Nature. В нём описан выход на передний план технологии, о которой в 1982 году говорил нобелевский лауреат Ричард Фейнман: использование квантового компьютера для детального моделирования сложных физических процессов. Специалисты из PSI (Paul Scherrer Institute) во главе с теоретическими физиками Андреасом Лёхли (Andreas Läuchli) и Андреасом Эльбеном (Andreas Elben), совместно с учёными Google и университетами пяти стран, продемонстрировали прототип квантового симулятора, способного работать в двух режимах — цифровом и аналоговом.
В цифровом режиме система задаёт начальные условия, наподобие аккуратного распределения капель холодного молока в горячем кофе. Здесь задействованы универсальные квантовые гейты, и 69 сверхпроводящих кубитов на чипе Google могут находиться в суперпозиции разных состояний, что даёт исследователям возможность создавать требуемые "конфигурации" на старте примера. Аналоговый режим, в свою очередь, позволяет наблюдать, как эти кубиты ведут себя при имитации реальных взаимодействий внутри материала, будь то теплоперенос или формирование магнитных доменов, — словно смотреть, как молоко равномерно перемешивается и достигает термического равновесия с кофе.
Сочетание этих подходов открывает путь к "небывалой точности" в вычислениях. Один из ярких примеров — изучение термализации, когда система приходит к равновесию, а также моделирование эффектов "frustrated magnetism", возникающих в треугольной решётке кубитов. В таких условиях все три соседних кубита не могут одновременно выстраиваться в удобную для них магнитную конфигурацию, что приводит к своеобразному конфликту спинов. Исследователи надеются, что подобные эксперименты подтолкнут развитие новых типов компьютерных чипов, где информация кодируется не электрическим зарядом, а магнитными состояниями.
Сверхпроводящие кубиты чипа Google здесь играют ключевую роль, позволяя задать точное исходное распределение "дискретных капель" и затем отпустить систему "в свободное плавание". Такой формат цифрово-аналогового симулятора даёт гибкость, востребованную как в твёрдотельной физике и науке о материалах, так и в астрофизике. В будущем планируются эксперименты, направленные на изучение высокотемпературных сверхпроводников и поиск лекарств с меньшим количеством побочных эффектов.
Особый интерес вызывает так называемая "информационная парадокс" чёрных дыр, где по одной из теорий всякая информация, падающая за горизонт событий, безвозвратно исчезает. Классическая квантовая механика утверждает обратное: информация не может быть уничтожена полностью. Цифрово-аналоговый квантовый симулятор способен проверять, сохраняется ли эта информация хотя бы в виде измеримых квантовых корреляций, что приближает физиков к пониманию природы сами́х чёрных дыр.
Новая работа закладывает основу для "универсального квантового симулятора". На платформах с экзотическими системами (такими как ионы в ловушках или ридберговские атомы) исследователи из PSI и ETH Zürich's Quantum Computing Hub намерены пойти ещё дальше, изучая самые тонкие аспекты квантовой физики. В перспективе эти достижения помогут объяснить феномены, которые пока не поддаются классическому моделированию, как когда-то холодное молоко в горячем кофе казалось простой, но вычислительно непредсказуемой задачей.
Андреас Лёхли подчёркивает, что цифрово-аналоговый квантовый процессор на одном чипе станет стартовой площадкой для новых экспериментов, вплоть до изучения самых фундаментальных вопросов квантовой механики. В PSI появится возможность сразу сверять теоретические выводы с результатами масштабных опытов в больших установках, и это кооперативное исследование позволит раскрыть потенциал будущих квантовых технологий в самых разных отраслях науки и техники.
Изображение носит иллюстративный характер
В цифровом режиме система задаёт начальные условия, наподобие аккуратного распределения капель холодного молока в горячем кофе. Здесь задействованы универсальные квантовые гейты, и 69 сверхпроводящих кубитов на чипе Google могут находиться в суперпозиции разных состояний, что даёт исследователям возможность создавать требуемые "конфигурации" на старте примера. Аналоговый режим, в свою очередь, позволяет наблюдать, как эти кубиты ведут себя при имитации реальных взаимодействий внутри материала, будь то теплоперенос или формирование магнитных доменов, — словно смотреть, как молоко равномерно перемешивается и достигает термического равновесия с кофе.
Сочетание этих подходов открывает путь к "небывалой точности" в вычислениях. Один из ярких примеров — изучение термализации, когда система приходит к равновесию, а также моделирование эффектов "frustrated magnetism", возникающих в треугольной решётке кубитов. В таких условиях все три соседних кубита не могут одновременно выстраиваться в удобную для них магнитную конфигурацию, что приводит к своеобразному конфликту спинов. Исследователи надеются, что подобные эксперименты подтолкнут развитие новых типов компьютерных чипов, где информация кодируется не электрическим зарядом, а магнитными состояниями.
Сверхпроводящие кубиты чипа Google здесь играют ключевую роль, позволяя задать точное исходное распределение "дискретных капель" и затем отпустить систему "в свободное плавание". Такой формат цифрово-аналогового симулятора даёт гибкость, востребованную как в твёрдотельной физике и науке о материалах, так и в астрофизике. В будущем планируются эксперименты, направленные на изучение высокотемпературных сверхпроводников и поиск лекарств с меньшим количеством побочных эффектов.
Особый интерес вызывает так называемая "информационная парадокс" чёрных дыр, где по одной из теорий всякая информация, падающая за горизонт событий, безвозвратно исчезает. Классическая квантовая механика утверждает обратное: информация не может быть уничтожена полностью. Цифрово-аналоговый квантовый симулятор способен проверять, сохраняется ли эта информация хотя бы в виде измеримых квантовых корреляций, что приближает физиков к пониманию природы сами́х чёрных дыр.
Новая работа закладывает основу для "универсального квантового симулятора". На платформах с экзотическими системами (такими как ионы в ловушках или ридберговские атомы) исследователи из PSI и ETH Zürich's Quantum Computing Hub намерены пойти ещё дальше, изучая самые тонкие аспекты квантовой физики. В перспективе эти достижения помогут объяснить феномены, которые пока не поддаются классическому моделированию, как когда-то холодное молоко в горячем кофе казалось простой, но вычислительно непредсказуемой задачей.
Андреас Лёхли подчёркивает, что цифрово-аналоговый квантовый процессор на одном чипе станет стартовой площадкой для новых экспериментов, вплоть до изучения самых фундаментальных вопросов квантовой механики. В PSI появится возможность сразу сверять теоретические выводы с результатами масштабных опытов в больших установках, и это кооперативное исследование позволит раскрыть потенциал будущих квантовых технологий в самых разных отраслях науки и техники.