Stabilne qubity przybliżają nas do budowy komputerów kwantowych
Symulacja kwantowa oznacza wykorzystanie systemu kwantowego w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych do symulacji innego systemu kwantowego, którego opis wykracza poza możliwości konwencjonalnych komputerów. To podejście dobrze podsumowują słowa Richarda Feynmana, znanego fizyka teoretycznego: „Natura nie jest klasyczna, więc jeśli chcesz wykonać symulację naturalnego zjawiska, lepiej użyj do tego mechaniki kwantowej”. Ultrazimne atomy i jony uwięzione na zimno są jednym z najbardziej obiecujących narzędzi do symulacji zachowania złożonych układów wielociałowych. Wysoki stopień kontroli i nowe możliwości wykrywania umożliwiają badanie nowych stanów kwantowych materii, które są prawie niemożliwe do uzyskania w skali makroskopowej. „Do tej pory osiągnięto znaczny postęp w opracowywaniu symulatorów kwantowych, które są w stanie przewidzieć zachowanie złożonych sztucznych systemów kwantowych. Wiąże się to z modelowaniem w kontrolowany sposób wielociałowych operatorów Hamiltona o rosnącej złożoności”, mówi prof. Fabrizio Illuminati z projektu EQuaM, finansowanego przez UE. Z chaosu wyłania się porządek Projekt EQuaM utorował drogę do lepszego zrozumienia zjawisk fizycznych, które wydają się być związane ze wspólnymi kwantowymi właściwościami niektórych materiałów. Badacze pracujący nad projektem dokładnie zbadali zespoły oddziałujących ze sobą ultrazimnych atomów i manipulowali nimi w celu symulacji zachowania sfrustrowanych magnesów kwantowych. „Frustracja odgrywa kluczową rolę w egzotycznych stanach materii, takich jak kwantowe ciecze spinowe”, zauważa prof. Illuminati. Sfrustrowane magnesy uniemożliwiają porządkowanie się spinów elektronów i w ten sposób zapadają się w stan podobny do ciekłego. Spiny elektronów są ciągle skierowane w różnych kierunkach, nawet w temperaturach bliskich zera absolutnego. Naukowcy zauważyli jednak, że atomy wydają się spontanicznie układać w innego rodzaju porządek, regulowany uporządkowanymi wzorcami splątania kwantowego dalekiego zasięgu w większych skalach – przynajmniej w skali badanego eksperymentu. „Głównym wyzwaniem, przed jakim stanęli badacze, było odtworzenie warunków niezbędnych do hodowli kwantowych materiałów do cieczy spinowej w laboratorium oraz opracowanie odpowiednich narzędzi do ich wykrywania i kontroli, które powinny umożliwić dokładne poznanie ich właściwości”, dodaje prof. Illuminati. Korzyści z frustracji Obserwacja charakterystycznych cech cieczy spinowej w strukturze sfrustrowanego magnesu kwantowego daje możliwość zrozumienia fizyki na styku materii skondensowanej i przetwarzania informacji kwantowych. „Jedną z podstawowych cech tego dziwnego, nowego, kwantowego stanu uporządkowanej materii jest jej topologiczny charakter. Inaczej mówiąc, jej globalne właściwości geometryczne są oddzielne od lokalnych kształtów geometrycznych, które przypisuje się interakcji między mikroskopowymi komponentami. Dzięki temu jest szczególnie odporna na zakłócenia spowodowane lokalnymi niedoskonałościami i wpływami zewnętrznymi”, wyjaśnia prof. Illuminati. Ale jak to się ma do zastosowań kwantowych? Uzyskanie qubitów z długim czasem koherencji stanowi podstawę wszystkich technologii informacji kwantowych. Zdolność qubitów do pozostawania w superpozycji i splątania jest poważnie zagrożona przez wewnętrzne niedoskonałości w systemie oraz wszelkie wahania spowodowane interakcją ze środowiskiem zewnętrznym. Dzięki wykorzystaniu zbiorczego ruchu atomów symulujących sfrustrowany magnes możliwe jest tworzenie qubitów topologicznych, które są chronione przed oddziaływaniem z otoczeniem. Ambitnym celem topologicznych obliczeń kwantowych jest zbudowanie sprzętu odpornego na dekoherencję, a tym samym ograniczenie potrzeby aktywnej korekty błędów. „Jako pierwsi w Europie, uczestnicy projektu EQuaM zastosowali pasywne podejście do efektywnych technologii kwantowych zamiast aktywnego podejścia opartego na korekcji błędów. Wszystkie systemy i konfiguracje topologicznej materii kwantowej są wewnętrznie stabilne, a tym samym odporne na szkodliwy wpływ zakłóceń otoczenia”, podkreśla prof. Illuminati. Zespół EQuaM wykazał, że możliwe jest stworzenie stabilnych i uporządkowanych faz materii kwantowej w laboratorium przy pomocy zespołów ultrazimnych atomów, oraz poszerzył teoretyczną wiedzę na temat zbiorowych właściwości kwantowych takiej materii. Rezultaty te stanowią istotny postęp w dziedzinie ultrazimnych atomów. Powinny one zainteresować szerokie środowisko naukowe badające obszary koherencji i informacji kwantowej, w szczególności w zakresie projektowania stabilnych i niezawodnych topologicznych komputerów i pamięci kwantowych.
Słowa kluczowe
EQuaM, qubit, obliczenia kwantowe, ultrazimny atom, magnes sfrustrowany, ciecz spinowa, porządek topologiczny
