WikiDer > Квантовый симулятор

Quantum simulator
На этой фотографии кристалла квантового симулятора ионы флуоресцентные, что указывает на то, что все кубиты находятся в одном состоянии («1» или «0»). При правильных условиях эксперимента ионный кристалл самопроизвольно образует эту почти идеальную треугольную форму. решетка структура. Кредит: Бриттон / NIST.
Иллюстрация симулятора квантового моделирования захваченных ионов: Сердце симулятора - двумерный кристалл ионов бериллия (синие сферы на рисунке); крайний электрон каждого иона - квантовый бит (кубит, красные стрелки). Ионы удерживаются сильным магнитным полем в устройстве, называемом ловушкой Пеннинга (не показано). Внутри ловушки кристалл вращается по часовой стрелке. Кредит: Бриттон / NIST.

Квантовые симуляторы разрешить изучение квантовые системы которые трудно изучать в лаборатории и невозможно смоделировать с помощью суперкомпьютер. В данном случае симуляторы - это устройства специального назначения, предназначенные для получения информации о конкретных физика проблемы.[1][2][3] Квантовые симуляторы можно противопоставить общепрограммируемым «цифровым». квантовые компьютеры, который был бы способен решать более широкий класс квантовых задач.

А универсальный квантовый симулятор это квантовый компьютер предложено Юрий Манин в 1980 г.[4] и Ричард Фейнман в 1982 г.[5] Фейнман показал, что классический Машина Тьюринга будет испытывать экспоненциальное замедление при моделировании квантовых явлений, в то время как его гипотетический универсальный квантовый симулятор - нет. Дэвид Дойч в 1985 году развил идеи и описал универсальный квантовый компьютер. В 1996 г. Сет Ллойд показал, что стандарт квантовый компьютер можно запрограммировать на эффективное моделирование любой локальной квантовой системы.[6]

А квантовая система многих частиц описывается Гильбертово пространство размерность которой экспоненциально велика по количеству частиц. Следовательно, очевидный подход к моделированию такой системы требует экспоненциального времени на классический компьютер. Однако вполне возможно, что квантовую систему из многих частиц можно смоделировать с помощью квантового компьютера, используя ряд квантовые биты аналогично количеству частиц в исходной системе. Как показал Ллойд, это верно для класса квантовых систем, известных как местный квантовые системы. Это было распространено на гораздо более крупные классы квантовых систем.[7][8][9][10]

Квантовые симуляторы реализованы на ряде экспериментальных платформ, включая системы ультрахолодные квантовые газы, полярные молекулы, захваченные ионы, фотонные системы, квантовые точки и сверхпроводящие цепи.[11]

Решение физических задач

Многие важные проблемы физики, особенно физика низких температур и физика многих телостаются малоизученными, поскольку квантовая механика очень сложно. Обычные компьютеры, в том числе суперкомпьютеры, не подходят для моделирования квантовых систем всего с 30 частицами. Необходимы более совершенные вычислительные инструменты для понимания и рационального проектирования материалов, свойства которых, как считается, зависят от коллективной квантовое поведение сотен частиц.[2][3] Квантовые симуляторы предоставляют альтернативный путь к пониманию свойств этих систем. Эти симуляторы создают чистую реализацию конкретных интересующих систем, что позволяет точно реализовать их свойства. Точный контроль и широкая возможность настройки параметров системы позволяет четко распутать влияние различных параметров.

Квантовые симуляторы могут решать задачи, которые трудно смоделировать на классических компьютерах, поскольку они напрямую используют квантовые свойства реальных частиц. В частности, они используют свойство квантовой механики, называемое суперпозиция, при этом квантовая частица должен находиться в двух разных состояниях одновременно, например, выровнен и анти-выровнен с внешним магнитным полем. Важно отметить, что симуляторы также используют второе квантовое свойство, называемое запутанность, позволяя коррелировать поведение даже физически хорошо разделенных частиц.[2][3][12]

Имитаторы захваченных ионов

А захваченный ион симулятор, созданный командой, в которую входили NIST и сообщил в апреле 2012 г., может разрабатывать и контролировать взаимодействия между сотнями квантовые биты (кубиты). Предыдущие попытки не могли выйти за пределы 30 квантовых битов. Как описано в научном журнале Природа, возможности этого симулятора в 10 раз больше, чем у предыдущих устройств. Кроме того, он прошел ряд важных сравнительных тестов, которые указывают на способность решать проблемы материаловедения, которые невозможно смоделировать на обычных компьютерах.

Имитатор захваченных ионов состоит из крошечного одноплоскостного кристалла из сотен ионы бериллиядиаметром менее 1 миллиметра, парящий внутри устройства, называемого Ловушка Пеннинга. Самый дальний электрон каждого иона действует как крошечный квантовый магнит и используется как кубит, квантовый эквивалент «1» или «0» в обычном компьютере. В тестовом эксперименте физики использовали лазерные лучи для охлаждения ионов почти до абсолютного нуля. Тщательно рассчитанная микроволновая печь и лазерные импульсы затем заставил кубиты взаимодействовать, имитируя квантовое поведение материалов, которые в противном случае было бы очень трудно изучить в лаборатории. Хотя две системы могут внешне казаться несхожими, их поведение математически идентично. Таким образом, симуляторы позволяют исследователям варьировать параметры, которые нельзя изменить в природных твердых телах, таких как атомные шаг решетки и геометрия.

Friedenauer et al. Адиабатически манипулировали двумя спинами, показывая их разделение на ферромагнитное и антиферромагнитное состояния.[13]Ким и др. Расширили квантовый симулятор захваченных ионов до 3 спинов, с глобальными антиферромагнитными взаимодействиями Изинга, показывающими фрустрацию и показывающими связь между фрустрацией и запутанностью.[14]и Ислам и др. использовали адиабатическое квантовое моделирование, чтобы продемонстрировать обострение фазового перехода между парамагнитным и ферромагнитным упорядочением при увеличении числа спинов с 2 до 9.[15]Barreiro et al. создали цифровой квантовый симулятор взаимодействующих спинов с до 5 захваченными ионами путем подключения к открытому резервуару[16] и ланьон и другие. продемонстрировали цифровое квантовое моделирование до 6 ионов.[17]Ислам и др. Продемонстрировали адиабатическое квантовое моделирование поперечной модели Изинга с переменным (дальнодействующим) взаимодействием с до 18 захваченными спинами ионов, демонстрируя контроль уровня спиновой фрустрации за счет регулировки диапазона антиферромагнитного взаимодействия.[18]Бриттон и др. из NIST провел экспериментальное тестирование взаимодействий Изинга в системе из сотен кубитов для изучения квантового магнетизма.[19]Пагано и др. Сообщили о новой криогенной системе улавливания ионов, предназначенной для длительного хранения больших ионных цепочек, демонстрирующей когерентные одно- и двухкубитовые операции для цепочек до 44 ионов.[20]

Симуляторы ультрахолодного атома

Много ультрахолодный атом эксперименты являются примерами квантовых симуляторов. К ним относятся эксперименты по изучению бозоны или же фермионы в оптические решетки, унитарный ферми-газ, Атом Ридберга массивы в оптический пинцет. Общей чертой этих экспериментов является возможность реализации общих гамильтонианов, таких как Хаббард или же поперечное поле Изинга Гамильтониан. Основные цели этих экспериментов включают идентификацию низкотемпературных фаз или отслеживание неравновесной динамики для различных моделей, проблемы, которые теоретически и численно трудно решить.[21][22] В других экспериментах были реализованы модели конденсированного состояния в режимах, которые трудно или невозможно реализовать с использованием обычных материалов, таких как Модель холдейна и Модель Harper-Hofstadter.[23][24][25][26][27]

Сверхпроводящие кубиты

Квантовые симуляторы, использующие сверхпроводящие кубиты, делятся на две основные категории. Во-первых, так называемый квантовые отжигатели определить основные состояния некоторых гамильтонианов после адиабатического нарастания. Такой подход иногда называют адиабатические квантовые вычисления. Во-вторых, многие системы имитируют определенные гамильтонианы и изучают их свойства основного состояния, квантовые фазовые переходы или временную динамику.[28] Несколько важных недавних результатов включают реализацию Изолятор Мотта в управляемо-диссипативном Система Бозе-Хаббарда и исследование фазовых переходов в решетках сверхпроводящих резонаторов, связанных с кубитами.[29][30]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Johnson, Tomi H .; Кларк, Стивен Р .; Якш, Дитер (2014). «Что такое квантовый симулятор?». Квантовая технология EPJ. 1 (10). arXiv:1405.2831. Дои:10.1140 / epjqt10.
  2. ^ а б c Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Национальный институт стандартов и технологий документ: Майкл Э. Ньюман. "Тестовый квантовый симулятор физиков NIST с сотнями кубитов". Получено 2013-02-22.
  3. ^ а б c Бриттон, Джозеф В .; Сойер, Брайан Ч .; Кейт, Адам С .; Ван, К.-К. Джозеф; Freericks, Джеймс К .; Уйс, Германн; Biercuk, Michael J .; Боллинджер, Джон Дж. (2012). «Разработал двумерные взаимодействия Изинга в квантовом имитаторе захваченных ионов с сотнями спинов» (PDF). Природа. 484 (7395): 489–92. arXiv:1204.5789. Bibcode:2012Натура.484..489Б. Дои:10.1038 / природа10981. PMID 22538611. Примечание. Эта рукопись является вкладом Национального института стандартов и технологий США и не охраняется авторским правом США.
  4. ^ Манин, Ю. И. (1980). Вычислимое и невычислимое [Вычислимые и невычислимые] (на русском). Сов.радио. С. 13–15. Архивировано из оригинал на 2013-05-10. Получено 2013-03-04.
  5. ^ Фейнман, Ричард (1982). «Моделирование физики с помощью компьютеров». Международный журнал теоретической физики. 21 (6–7): 467–488. Bibcode:1982IJTP ... 21..467F. CiteSeerX 10.1.1.45.9310. Дои:10.1007 / BF02650179.
  6. ^ Ллойд, С. (1996). «Универсальные квантовые симуляторы». Наука. 273 (5278): 1073–8. Bibcode:1996Sci ... 273.1073L. Дои:10.1126 / science.273.5278.1073. PMID 8688088.
  7. ^ Дорит Ааронов; Амнон Та-Шма (2003). "Генерация адиабатических квантовых состояний и статистическое нулевое знание". arXiv:Quant-ph / 0301023.
  8. ^ Берри, Доминик У .; Грэм Ахокас; Ричард Клив; Сандерс, Барри С. (2007). «Эффективные квантовые алгоритмы для моделирования разреженных гамильтонианов». Коммуникации по математической физике. 270 (2): 359–371. arXiv:Quant-ph / 0508139. Bibcode:2007CMaPh.270..359B. Дои:10.1007 / s00220-006-0150-х.
  9. ^ Чайлдс, Эндрю М. (2010). «О связи между квантовым блужданием в непрерывном и дискретном времени». Коммуникации по математической физике. 294 (2): 581–603. arXiv:0810.0312. Bibcode:2010CMaPh.294..581C. Дои:10.1007 / s00220-009-0930-1.
  10. ^ Клищ, М .; Barthel, T .; Гоголин, Ц .; Касторяно, М .; Эйсерт, Дж. (12 сентября 2011 г.). «Диссипативная квантовая теорема Чёрча-Тьюринга». Письма с физическими проверками. 107 (12): 120501. arXiv:1105.3986. Bibcode:2011PhRvL.107l0501K. Дои:10.1103 / PhysRevLett.107.120501. PMID 22026760.
  11. ^ Nature Physics Insight - Квантовое моделирование. Nature.com. Апрель 2012 г.
  12. ^ Сирак, Дж. Игнасио; Золлер, Питер (2012). «Цели и возможности квантового моделирования» (PDF). Природа Физика. 8 (4): 264–266. Bibcode:2012НатФ ... 8..264С. Дои:10.1038 / nphys2275.[постоянная мертвая ссылка]
  13. ^ Friedenauer, A .; Schmitz, H .; Glueckert, J. T .; Porras, D .; Шаец, Т. (27 июля 2008 г.). «Моделирование квантового магнита с захваченными ионами». Природа Физика. 4 (10): 757–761. Bibcode:2008НатФ ... 4..757Ф. Дои:10.1038 / nphys1032.
  14. ^ Kim, K .; Chang, M.-S .; Коренблит, С .; Islam, R .; Эдвардс, E. E .; Freericks, J. K .; Lin, G.-D .; Дуань, Л.-М .; Монро, К. (июнь 2010 г.). «Квантовое моделирование фрустрированных спинов Изинга с захваченными ионами». Природа. 465 (7298): 590–593. Bibcode:2010Натура.465..590K. Дои:10.1038 / природа09071. PMID 20520708.
  15. ^ Islam, R .; Эдвардс, E.E .; Kim, K .; Коренблит, С .; Но, С .; Кармайкл, H .; Lin, G.-D .; Дуань, Л.-М .; Джозеф Ван, C.-C .; Freericks, J.K .; Монро, К. (5 июля 2011 г.). «Начало квантового фазового перехода с квантовым имитатором захваченного иона». Nature Communications. 2 (1): 377. arXiv:1103.2400. Bibcode:2011 НатКо ... 2E.377I. Дои:10.1038 / ncomms1374. PMID 21730958.
  16. ^ Баррейро, Хулио Т .; Мюллер, Маркус; Шиндлер, Филипп; Нигг, Дэниел; Монц, Томас; Чвалла, Майкл; Хеннрих, Маркус; Роос, Кристиан Ф .; Золлер, Питер; Блатт, Райнер (23 февраля 2011 г.). «Квантовый симулятор открытой системы с захваченными ионами». Природа. 470 (7335): 486–491. arXiv:1104.1146. Bibcode:2011Натура.470..486Б. Дои:10.1038 / природа09801. PMID 21350481.
  17. ^ Lanyon, B.P .; Hempel, C .; Nigg, D .; Muller, M .; Герритсма, Р .; Zahringer, F .; Schindler, P .; Barreiro, J. T .; Рамбах, М .; Kirchmair, G .; Hennrich, M .; Zoller, P .; Blatt, R .; Роос, К. Ф. (1 сентября 2011 г.). «Универсальное цифровое квантовое моделирование с захваченными ионами». Наука. 334 (6052): 57–61. arXiv:1109.1512. Bibcode:2011Научный ... 334 ... 57L. Дои:10.1126 / science.1208001. PMID 21885735.
  18. ^ Islam, R .; Сенько, Ц .; Campbell, W. C .; Коренблит, С .; Smith, J .; Ли, А .; Эдвардс, Э. Э .; Wang, C.-C.J .; Freericks, J. K .; Монро, К. (2 мая 2013 г.). «Возникновение и расстройство магнетизма с взаимодействиями переменного диапазона в квантовом симуляторе». Наука. 340 (6132): 583–587. arXiv:1210.0142. Bibcode:2013Наука ... 340..583I. Дои:10.1126 / наука.1232296. PMID 23641112.
  19. ^ Бриттон, Джозеф В .; Сойер, Брайан Ч .; Кейт, Адам С .; Ван, К.-К. Джозеф; Freericks, Джеймс К .; Уйс, Германн; Biercuk, Michael J .; Боллинджер, Джон Дж. (25 апреля 2012 г.). «Разработал двумерные взаимодействия Изинга в квантовом имитаторе захваченных ионов с сотнями спинов». Природа. 484 (7395): 489–492. arXiv:1204.5789. Bibcode:2012Натура.484..489Б. Дои:10.1038 / природа10981. PMID 22538611.
  20. ^ Пагано, G; Гесс, П. Вт; Каплан, H B; Tan, W L; Richerme, P; Becker, P; Киприанидис, А; Чжан, Дж; Birckelbaw, E; Эрнандес, М. Р.; Wu, Y; Монро, К. (9 октября 2018 г.). «Криогенная система захваченных ионов для крупномасштабного квантового моделирования». Квантовая наука и технологии. 4 (1): 014004. arXiv:1802.03118. Дои:10.1088 / 2058-9565 / aae0fe.
  21. ^ Блох, Иммануил; Далибард, Жан; Насимбене, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами». Природа Физика. 8 (4): 267–276. Bibcode:2012НатФ ... 8..267Б. Дои:10.1038 / nphys2259.
  22. ^ Гросс, Кристиан; Блох, Иммануил (8 сентября 2017 г.). «Квантовое моделирование с ультрахолодными атомами в оптических решетках». Природа. 357 (6355): 995–1001. Дои:10.1126 / science.aal3837. PMID 28883070.
  23. ^ Йотцу, Грегор; Мессер, Майкл; Desbuquois, Реми; Лебра, Мартин; Уэлингер, Томас; Грейф, Даниэль; Эсслингер, Тилман (13 ноября 2014 г.). «Экспериментальная реализация топологической модели Холдейна с ультрахолодными фермионами». Природа. 515 (7526): 237–240. arXiv:1406.7874. Дои:10.1038 / природа13915. PMID 25391960.
  24. ^ Саймон, Джонатан (13 ноября 2014 г.). «Магнитные поля без магнитных полей». Природа. 515 (7526): 202–203. Дои:10.1038 / 515202a. PMID 25391956.
  25. ^ Чжан, Дань-Вэй; Чжу, Янь-Цин; Zhao, Y. X .; Ян, Хуэй; Чжу, Ши-Лян (29 марта 2019 г.). «Топологическая квантовая материя с холодными атомами». Успехи в физике. 67 (4): 253–402. arXiv:1810.09228. Дои:10.1080/00018732.2019.1594094.
  26. ^ Альберти, Андреа; Робенс, Карстен; Альт, Вольфганг; Брахан, Стефан; Карски, Михал; Рейман, Рене; Видера, Артур; Мешеде, Дитер (2016-05-06). «Микроскопия одиночных атомов в оптических решетках сверхвысокого разрешения». Новый журнал физики. 18 (5): 053010. Дои:10.1088/1367-2630/18/5/053010. ISSN 1367-2630.
  27. ^ Робенс, Карстен; Брахан, Стефан; Мешеде, Дитер; Альберти, А. (18.09.2016), «Квантовые прогулки с нейтральными атомами: квантовые интерференционные эффекты одной и двух частиц», Лазерная спектроскопия, МИРОВАЯ НАУЧНАЯ, стр. 1–15, arXiv:1511.03569, Дои:10.1142/9789813200616_0001, ISBN 978-981-320-060-9, получено 2020-05-25
  28. ^ Параоану, Г.С. (4 апреля 2014 г.). «Последние достижения в квантовом моделировании с использованием сверхпроводящих цепей». Журнал физики низких температур. 175 (5–6): 633–654. arXiv:1402.1388. Дои:10.1007 / s10909-014-1175-8.
  29. ^ Ма, Жуйчао; Саксберг, Брендан; Оуэнс, Клай; Люнг, Нельсон; Лу, Яо; Саймон, Ионафан; Шустер, Дэвид И. (6 февраля 2019 г.). «Диссипативно стабилизированный изолятор Мотта фотонов». Природа. 566 (7742): 51–57. arXiv:1807.11342. Дои:10.1038 / s41586-019-0897-9. PMID 30728523.
  30. ^ Фитцпатрик, Маттиас; Sundaresan, Neereja M .; Ли, Энди С. Й .; Кох, Йенс; Хоук, Эндрю А. (10 февраля 2017 г.). «Наблюдение диссипативного фазового перехода в решетке КЭД одномерного контура». Физический обзор X. 7 (1): 011016. arXiv:1607.06895. Дои:10.1103 / PhysRevX.7.011016.

внешняя ссылка