Ориентация кубитов вверх и вниз в узлах квазикристалла приводит к множеству магнитных конфигураций. Различные текстуры могут быть созданы путем применения различных магнитных полей. Квантовый отжиг D-Wave продемонстрировал потенциал для прототипирования материалов, экспериментируя с реальными вращениями в специально разработанных геометриях. 
Предоставлено: Лос-Аламосская национальная лаборатория.

Исследования с использованием квантового компьютера в качестве физической платформы для квантовых экспериментов позволили разработать и охарактеризовать индивидуальные магнитные объекты с использованием квантовых битов или кубитов. Это открывает новый подход к разработке новых материалов и надежных квантовых вычислений.

«С помощью квантового отжигателя мы продемонстрировали новый способ моделирования магнитных состояний », — сказал Алехандро Лопес-Безанилья, виртуальный экспериментатор из теоретического отдела Лос-Аламосской национальной лаборатории. Лопес-Безанилья является соответствующим автором статьи об исследованиях в журнале Science Advances.

«Мы показали, что магнитная квазикристаллическая решетка может содержать состояния, выходящие за пределы нулевого и однобитового состояний классической информационной технологии», — сказал Лопес-Безанилья. «Применяя магнитное поле к конечному набору спинов, мы можем трансформировать магнитный ландшафт квазикристаллического объекта».

«Квазикристалл — это структура, состоящая из повторения некоторых основных форм по правилам, отличным от правил обычных кристаллов», — сказал он.

В этой работе с Кристиано Нисоли, физиком-теоретиком из Лос-Аламоса, компьютер квантового отжига D-Wave послужил платформой для проведения реальных физических экспериментов с квазикристаллами, а не для их моделирования. Этот подход «позволяет материи говорить с вами, — сказал Лопес-Безанилья, — потому что вместо того, чтобы запускать компьютерные коды, мы идем прямо к квантовой платформе и устанавливаем все физические взаимодействия по своему усмотрению».

Взлеты и падения кубитов

Лопес-Безанилья выбрал 201 кубит на компьютере D-Wave и соединил их друг с другом, чтобы воспроизвести форму квазикристалла Пенроуза.

С тех пор как Роджер Пенроуз в 1970-х задумал апериодические структуры, названные его именем, никто не закручивал каждый из их узлов, чтобы наблюдать за их поведением под действием магнитного поля.

«Я соединил кубиты так, что все вместе они воспроизвели геометрию одного из его квазикристаллов, так называемого P3», — сказал Лопес-Безанилья. «К моему удивлению, я заметил, что приложение определенных внешних магнитных полей к структуре заставляло некоторые кубиты с одинаковой вероятностью проявлять ориентацию как вверх, так и вниз, что приводит к тому, что квазикристалл P3 принимает большое разнообразие магнитных форм».

Управление силой взаимодействия между кубитами и кубитами с внешним полем приводит к тому, что квазикристаллы располагаются в различных магнитных структурах, предлагая перспективу кодирования более чем одного бита информации в одном объекте.

Некоторые из этих конфигураций не демонстрируют точного порядка ориентации кубитов.

«Это может сыграть в нашу пользу, — сказал Лопес-Безанилья, — потому что они потенциально могут содержать квантовую квазичастицу, представляющую интерес для информатики ». Спиновая квазичастица способна нести информацию, невосприимчивую к внешнему шуму.

Квазичастица — это удобный способ описать коллективное поведение группы базовых элементов. Такие свойства, как масса и заряд, могут быть приписаны нескольким спинам, движущимся так, как если бы они были одним целым.