Фермионный квантовый процессор. 
(А) Мы рассматриваем фермионный регистр, основанный на фермионных атомах, захваченных в оптический пинцет, где квантовая информация кодируется в атомной занятости и обрабатывается с помощью фермионных вентилей. Последний включает в себя туннельные процессы, делокализацию атомов между разными пинцетами (более светлыми сферами), а также ворота взаимодействия, основанные на механизме блокады Ридберга. 
(B) Мы используем эти вентили для построения фермионных квантовых схем, где сначала предварительно компилируются определенные подпрограммы для минимизации глубины схемы (как подробно описано ниже). 
(C) Фермионные схемы особенно подходят для квантового моделирования фермионных моделей, избегая нелокальных накладных расходов. Здесь мы рассматриваем оценку энергии основного состояния молекул с использованием вариационных алгоритмов, а также временную эволюцию LGT по Троттеру.
Кредит:Труды Национальной академии наук (2023 г.). DOI: 10.1073/pnas.2304294120

Фермионные атомы — это атомы, подчиняющиеся принципу Паули, который означает, что никакие два из них не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии . Это делает их идеальными для моделирования систем, в которых фермионная статистика играет решающую роль, таких как молекулы, сверхпроводники и кварк-глюонная плазма.

«В квантовых компьютерах на основе кубитов для моделирования этих свойств необходимо выделять дополнительные ресурсы, обычно в виде дополнительных кубитов или более длинных квантовых схем», — объясняет Дэниел Гонсалес Куадра из исследовательской группы под руководством Золлера в Институте квантовой оптики и квантовых технологий. Информация (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW) и кафедры теоретической физики Инсбрукского университета, Австрия.

Квантовая информация в фермионных частицах

Фермионный квантовый процессор состоит из фермионного регистра и набора фермионных квантовых вентилей. «Регистр состоит из набора фермионных мод, которые могут быть либо пустыми, либо занятыми одним фермионом, и эти два состояния образуют локальную единицу квантовой информации», — говорит Гонсалес Куадра. «Состояние системы, которую мы хотим смоделировать, например, молекулы, состоящей из множества электронов, в целом будет суперпозицией множества шаблонов занятости, которые могут быть непосредственно закодированы в этом регистре».

Затем эта информация обрабатывается с использованием фермионной квантовой схемы, предназначенной, например, для моделирования временной эволюции молекулы. Любую такую схему можно разложить на последовательность всего двух типов фермионных ворот: туннельного и взаимодействующего.

Исследователи предлагают улавливать фермионные атомы с помощью оптических пинцетов, которые представляют собой высокосфокусированные лазерные лучи, способные удерживать и перемещать атомы с высокой точностью. «Необходимый набор фермионных квантовых вентилей может быть изначально реализован на этой платформе: туннельные вентили могут быть получены путем управления туннелированием атома между двумя оптическими пинцетами, а интерактивные вентили реализуются путем предварительного возбуждения атомов до ридберговских состояний, переносящих сильное дипольный момент», — говорит Гонсалес Куадра.

От квантовой химии до физики элементарных частиц

Фермионная квантовая обработка особенно полезна для моделирования свойств систем, состоящих из множества взаимодействующих фермионов, таких как электроны в молекуле или в материале или кварки внутри протона, и поэтому находит применение во многих областях, от квантовой химии до физики элементарных частиц . . Исследователи демонстрируют, как их фермионный квантовый процессор может эффективно моделировать фермионные модели из квантовой химии и калибровочной теории решетки — двух важных областей физики, которые трудно решить с помощью классических компьютеров.

«Используя фермионы для кодирования и обработки квантовой информации, некоторые свойства моделируемой системы гарантированы на аппаратном уровне, что потребует дополнительных ресурсов в стандартном квантовом компьютере на основе кубитов», — говорит Гонсалес Куадра.

«Меня очень воодушевляет будущее этой области, и я хотел бы продолжать вносить в него свой вклад, определяя наиболее многообещающие применения фермионной квантовой обработки и разрабатывая адаптированные алгоритмы, которые могут работать в устройствах ближайшего будущего».