Энтропийные корреляции доменных стенок. Доменная стенка, находящаяся поверх Σ-узла, фиксирует кубит с энтропийной стоимостью, меньшей по энергии, чем в случае, показанном в (b). В (c) две доменные стенки σ-сайта являются «парными», если обе расположены вокруг одного и того же Σ-сайта. Спаривание создает энтропийное преимущество по отношению к двум доменным границам, расположенным на расстоянии друг от друга, высвобождая Σ-гибкий кубит. Пунктирные красные линии указывают на поперечную корреляцию между доменными стенками. Магнитные моменты вверх и вниз показаны синим и красным цветом соответственно.
Фото: Nature Communications (2024 г.). DOI: 10.1038/s41467-023-44281-0

Экспериментальное исследование, проведенное совместной командой Лос-Аламосской национальной лаборатории и D-Wave Quantum Systems, изучает парадоксальную роль флуктуаций в создании магнитного упорядочения в сети кубитов.

Используя платформу квантового отжига D-Wave, команда обнаружила, что флуктуации могут снизить общую энергию взаимодействующих магнитных моментов, и это понимание может помочь снизить стоимость квантовой обработки в устройствах.

«В этом исследовании вместо того, чтобы сосредоточиться на достижении превосходной производительности квантового компьютера по сравнению с классическими аналогами, мы стремились использовать плотную сеть взаимосвязанных кубитов для наблюдения и понимания квантового поведения», — сказал Алехандро Лопес-Безанилья, физик из теоретического отдела в Лос-Аламосе.

Содействие порядку путем добавления колебаний

Как описано в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, команда исследовала сложное взаимодействие примерно 2000 кубитов внутри асимметричной гексагональной решетки. Они исследовали влияние факторов, которые обычно вызывают беспорядок на магнитные моменты — небольшого магнитного поля, создаваемого сверхпроводящими кубитами.

Команда представила флуктуации, означающие динамические изменения в выравнивании и расположении магнитных моментов, которые были вызваны как тепловыми эффектами, связанными с температурой, так и квантовыми эффектами, возникающими в результате приложения внешнего магнитного поля. Это позволило им экспериментировать с энтропией, магнитными моментами и беспорядком на «разочарованной» магнитной решетке, которую они спроектировали.

Результаты доказали противоречивый аргумент: при некоторых физических условиях конфигурации с кластерным распределением дефектов становятся более вероятным состоянием, бросая вызов традиционным предположениям о взаимосвязи между беспорядком и энтропией. Если преобладающее ожидание состоит в том, что конфигурации с более высокой энтропией должны демонстрировать больший беспорядок, команда смогла продемонстрировать на квантовой системе, что могут возникать упорядоченные состояния, характеризующиеся определенными закономерностями, сродни процессу «порядок через беспорядок», даже если на первый взгляд беспорядок присутствуют провоцирующие факторы.

«Идея о том, что мы можем способствовать порядку, добавляя тепловые флуктуации, и даже усиливать его, добавляя квантовые флуктуации, может показаться парадоксальной», — сказал Криштиану Низоли, физик лаборатории и соавтор исследования. «Но мы смогли подробно наблюдать, как флуктуации влияют на механизмы и физические условия, приводящие к кластеризации дефектов. Это понимание может указать нам на улучшения в способах построения квантовых систем».

В будущем дополнительные разработки квантовой платформы D-Wave и экспериментальные возможности позволят исследователям сосредоточиться исключительно на роли квантовых флуктуаций, отделяя их от сопутствующего влияния тепловых флуктуаций.