Когерентное моделирование квантового фазового перехода в программируемой цепочке Изинга на 2000 кубитов
Исследователи из D-Wave Systems и различных институтов в Канаде, США и Японии недавно смоделировали квантовый фазовый переход в программируемой одномерной квантовой модели Изинга на 2000 кубитов. Их результаты, представленные в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, могут стать основой для будущих усилий по квантовой оптимизации и моделированию.
Процессоры квантового отжига D-Wave используют тысячи кубитов сверхпроводящего потока на литографированном чипе, подвешенном в среде, близкой к абсолютному нулю. Кредит: D-Wave.
У квантовых компьютеров есть потенциал, чтобы превзойти классические компьютеры в ряде сложных задач, однако необходимо будет преодолеть множество проблем, прежде чем они полностью реализуют свой потенциал. Тем временем физики и специалисты по информатике пытаются реально оценить возможности, которые технологии квантовых вычислений продемонстрируют в ближайшем будущем.
Квантовое моделирование — воплощение квантовых систем с использованием программируемых устройств моделирования — оказалось особенно ценным для определения краткосрочного потенциала квантовых компьютеров. Одним из подходов, который можно исследовать с помощью квантового моделирования, является квантовый отжиг, процесс оптимизации, основанный на искусственных квантовых флуктуациях.
Исследователи из D-Wave Systems и различных институтов в Канаде, США и Японии недавно смоделировали квантовый фазовый переход в программируемой одномерной квантовой модели Изинга на 2000 кубитов. Их результаты, представленные в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, могут стать основой для будущих усилий по квантовой оптимизации и моделированию.
«Когерентный отжиг — это то, что мы давно хотели продемонстрировать», — сказал Phys.org Эндрю Д. Кинг, один из исследователей, проводивших исследование. «Одна из причин заключается в том, что это позволяет нам сравнить поведение нашей программируемой квантовой системы с идеальной динамикой Шредингера, предоставляя как убедительные доказательства квантовости, так и эталон этой квантовости. Одномерная цепочка идеальна для этого, потому что она имеет хорошо известное решение в закрытой форме, а это означает, что мы можем решить его классически, без исчерпывающего моделирования квантовой динамики — классически неразрешимая задача в целом».
Квантовое моделирование одномерной цепочки Изинга уже проводилось другими исследовательскими группами, в том числе группой из Гарвардского университета. Однако моделирование, проведенное Кингом и его коллегами, является первым, проведенным с использованием квантового компьютера на основе отжига. Кроме того, исследователи смогли реализовать более крупные и более сильно коррелированные состояния, чем те, которые были продемонстрированы в прошлом.
Моделирование начинается в состоянии парамагнитной квантовой суперпозиции и проходит квантовый фазовый переход с различной скоростью. По мере роста времени отклика системы между противоположными доменами спинов вверх или вниз образуются «перегибы». Плотность и расстояние между этими перегибами показывают характеристики квантовой критической динамики. Авторы и права: Физика природы (2022 г.). DOI: 10.1038/s41567-022-01741-6
«Ключевой переменной в нашем эксперименте является время отжига, то есть время, которое требуется процессору D-Wave для перехода от исходного состояния квантовой суперпозиции к классической конечной точке вычислений», — пояснил Кинг. «Обычно в системе устанавливается ограничение скорости в 500 наносекунд, чтобы разрешить допуски на схему управления. Однако в этой работе мы работали в 100 раз быстрее, чем здесь».
Из-за более высоких скоростей, достигаемых их системой, Кингу и его коллегам пришлось применять более строгие требования к оборудованию и использовать новые программные методы. В конечном итоге это позволило им идеально синхронизировать тысячи кубитов в своей системе.
Исследователи выполнили свои симуляции, используя хорошо программируемый процессор, созданный в D-Wave Systems. Чтобы более надежно проверить его эффективность, они решили смоделировать чрезвычайно простой и хорошо изученный квантовый фазовый переход.
«Отличное соответствие, которое мы наблюдаем между экспериментами и идеальной квантовой моделью без влияния окружающей среды, — это новая разработка в области квантового отжига», — сказал Кинг. «Это показывает нам не только то, что система является явно квантовой, но и то, что мы можем запрограммировать более сложные системы в квантовый отжиг и ожидать, что он будет следовать истинной квантовой динамике уравнения Шредингера, которую обычно нельзя смоделировать классически».
В целом команда обнаружила, что их симуляции согласуются с предсказаниями квантовой теории. В будущем их работа может открыть новые захватывающие возможности для изучения различных квантовых фазовых переходов. В своих следующих работах Кинг и его коллеги хотели бы использовать программируемые процессоры D-Wave для моделирования более экзотических квантовых фазовых переходов, которые невозможно смоделировать с помощью классических компьютеров.
«Большинство людей хотят использовать квантовый отжиг либо для квантового моделирования, что мы здесь и сделали, либо для оптимизации», — добавил Кинг. «Учебный квантовый фазовый переход , который мы изучали в этой работе, лишь косвенно применим к оптимизации, поэтому важно связать эти две области вместе. Мы уже знаем, что квантовый отжиг может очень быстро решать задачи оптимизации. Наша следующая задача будет заключаться в изучении этого успешно использовать когерентный отжиг, чтобы подробно объяснить роль квантовой критической динамики в оптимизации квантового отжига».
