Den koherente simuleringen av en kvantefaseovergang i en programmerbar 2000 qubit Ising-kjede

Kvantedatamaskiner har potensial til å utkonkurrere klassiske datamaskiner på flere komplekse oppgaver, men mange utfordringer må overvinnes før de når sitt fulle potensial. I mellomtiden har fysikere og informatikere forsøkt å realistisk estimere egenskapene som kvantedatabehandlingsteknologier vil utvise i nær fremtid.

Kvantesimuleringer – realiseringer av kvantesystemer manifestert ved bruk av programmerbare simuleringsenheter – har vist seg spesielt verdifulle for å bestemme kvantedatamaskiners kortsiktige potensiale. En tilnærming som kan undersøkes ved hjelp av kvantesimuleringer er quantum annealing, en optimaliseringsprosess basert på konstruerte kvantesvingninger.

Forskere ved D-Wave Systems og ulike institutter i Canada, USA og Japan har nylig simulert en kvantefaseovergang i en programmerbar 2000 qubit 1D kvante Ising-modell. Resultatene deres, presentert i en artikkel publisert i Naturfysikkkan informere fremtidig kvanteoptimalisering og simuleringsarbeid.

“Koherent gløding har vært noe vi har ønsket å vise frem i lang tid,” sa Andrew D. King, en av forskerne som utførte studien, til Phys.org. “En grunn er at det lar oss sammenligne oppførselen til vårt programmerbare kvantesystem med ideell Schrödinger-dynamikk, og gir både sterke bevis på kvante-het og et benchmark for denne kvante-heten. 1D-kjeden er perfekt for dette fordi den har en velkjent lukket-form løsningsom betyr at vi kan løse det klassisk uten å uttømmende simulere kvantedynamikken – en klassisk vanskelig oppgave generelt.”

Kvantesimuleringen av 1D Ising-kjeden har blitt gjort tidligere av andre forskerteam, bl.a en gruppe ved Harvard University. Simuleringen utført av King og hans kolleger er imidlertid den første som ble utført ved bruk av en annealing-basert kvantedatamaskin. I tillegg var forskerne i stand til å realisere større og sterkere korrelerte tilstander enn de som ble påvist tidligere.

“Nøkkelvariabelen her i eksperimentet vårt er annealing-tiden, som er tiden D-Wave-prosessoren bruker på å gå fra sin opprinnelige kvantesuperposisjonstilstand til det klassiske endepunktet for beregningen,” forklarte King. “Vanligvis er det satt en fartsgrense på 500 nanosekunder på systemet, for å tillate toleranser på kontrollkretsene. I dette arbeidet gikk vi imidlertid 100 ganger raskere enn dette.”

På grunn av de høyere hastighetene som systemet deres nådde, måtte King og kollegene hans bruke strengere maskinvarekrav og bruke nye programvaremetoder. Dette gjorde at de til slutt kunne synkronisere tusenvis av qubits i systemet deres.

Forskerne utførte sine simuleringer ved å bruke en svært programmerbar prosessor laget hos D-Wave Systems. For å teste effektiviteten mer pålitelig, valgte de å simulere en ekstremt enkel og godt forstått kvantefaseovergang.

“Den utmerkede samsvaret vi ser mellom eksperimentene og den ideelle kvantemodellen med no miljøeffekter er en ny utvikling innen kvanteglødning,” sa King. “Det viser oss ikke bare at systemet åpenbart er kvante, men at vi kan programmere mer komplekse systemer inn i kvantegløderen og forventer at den følger den sanne kvantedynamikken til Schrödinger-ligningen, som generelt ikke kan simuleres klassisk.”

Samlet fant teamet at simuleringene deres var på linje med spådommer fra kvanteteori. I fremtiden kan arbeidet deres åpne for nye og spennende muligheter for studiet av ulike kvantefaseoverganger. I sine neste arbeider ønsker King og hans kolleger å bruke programmerbare D-Wave-prosessorer for å simulere mer eksotiske kvantefaseoverganger, som ikke kan simuleres ved bruk av klassiske datamaskiner.

“De fleste ønsker å bruke kvanteutglødning enten for kvantesimulering, som vi har gjort her, eller for optimalisering,” la King til. “Læreboken kvantefaseovergang som vi studerte i dette arbeidet er kun indirekte anvendelig for optimalisering, så det er viktig å knytte disse to områdene sammen. Vi vet allerede at kvanteglødeapparater kan løse optimaliseringsproblemer veldig raskt. Vår neste jobb vil være å studere denne suksessen ved å bruke koherent annealing, for å forklare i detalj rollen til kvantekritisk dynamikk i quantum annealing optimalisering.”

---

---

© 2022 Science X Network