Кредит: НИНС/ИМС

Их новая схема «сверхбыстрого квантового компьютера», продемонстрированная в прошлом году, была применена к квантовому моделированию. Их достижение показывает, что их новый «сверхбыстрый квантовый симулятор » является эпохальной платформой, поскольку он позволяет избежать проблемы внешнего шума, одной из самых больших проблем для квантовых симуляторов. Ожидается, что «сверхбыстрый квантовый симулятор» будет способствовать разработке функциональных материалов и решению социальных проблем.

Квантовые технологии, в развитии которых в последние годы усилилась конкуренция, такие как квантовые компьютеры, квантовые симуляторы и квантовые датчики, представляют собой качественно новую технологию, использующую преимущества «волновой природы» электронов и атомов . Поскольку квантовые технологии способны произвести революцию в функциональных материалах, фармацевтике, информационной безопасности, искусственном интеллекте и т. д., во всем мире делаются огромные инвестиции.

Квантовый симулятор — это устройство, которое моделирует сложное поведение электронов и других микроскопических частиц в твердом теле, отображая их на легко контролируемом модельном материале. Ожидается, что он решит проблемы, которые заняли бы бесконечное количество времени даже при использовании самого быстрого суперкомпьютера, что приведет к прорывным инновациям для решения социальных проблем, таких как логистика и пробки на дорогах, а также для разработки сверхпроводящих и магнитных материалов.

С другой стороны, квантовые состояния, создаваемые квантово-механическими частицами, такими как электроны и атомы, легко разрушаются шумом внешней среды и лазерами, что затрудняет разработку квантовых компьютеров.

В 2022 году исследовательская группа под руководством профессора Кенджи Омори из Национальных институтов естественных наук реализовала сверхбыстрый двухкубитный вентиль, который работает всего за 6,5 наносекунд с использованием холодных атомов, улучшив скорость двухкубитного вентиля на два порядка по сравнению с традиционным подходом с использованием холодных атомов, что открывает путь к созданию сверхбыстрого квантового компьютера, способного игнорировать эффекты шума.

Если их сверхбыстрый подход можно будет применить к квантовому моделированию, ожидается, что он также решит проблему шума и создаст высоконадежный и инновационный квантовый симулятор.

Результаты исследования

Исследовательская группа выполнила сверхбыстрое квантовое моделирование модели магнитных материалов, подготовив атомную решетку из 30 000 атомов, охлажденную почти до абсолютного нуля и манипулируя ими с высокой точностью с помощью лазерного импульса, который мигает всего 10 пикосекунд.

Сверхбыстрому квантовому симулятору удалось смоделировать образование квантовой запутанности (тема Нобелевской премии по физике в прошлом году), которая представляет собой корреляцию, уникальную для квантово-механических частиц, за 600 пикосекунд, самое быстрое в мире. Сверхбыстрый квантовый симулятор применяет к квантовому симулятору новую схему «сверхбыстрого квантового компьютера»: он обходит эффект блокады Ридберга с помощью сверхбыстрого лазера.

Преодоление проблемы шума и достижение высокой скорости и точного управления являются ключом к надежному квантовому моделированию. Самое быстрое в мире квантовое моделирование, реализованное группой, на три порядка быстрее, чем традиционные симуляторы, и более чем в 1000 раз быстрее шума, что позволяет игнорировать шумовые эффекты.

Квантовая запутанность, своеобразная корреляция, возникающая в квантово-механических частицах, таких как атомы и электроны, составляющие материю, является концепцией, необходимой для понимания «квантового» мира, хотя ее считается чрезвычайно трудно измерить в крупномасштабных системах и реальных материалах.

Ожидается, что это достижение, моделирующее формирование крупномасштабной «квантовой запутанности» в сверхбыстром масштабе времени, будет способствовать развитию квантовых технологий благодаря пониманию «квантовой запутанности», важного ресурса для квантовых компьютеров и квантовых сетей, в будущем масштабные системы, близкие к практическому уровню.

Кроме того, ожидается, что квантовое моделирование магнитных материалов продвинет наше понимание происхождения физических свойств материалов, таких как магнетизм. Он также предоставит рекомендации по проектированию устройств и функциональных материалов следующего поколения, которые демонстрируют потрясающую функциональность за счет использования квантово-механических эффектов.

Эксперимент проводился с использованием атомов рубидия. Сначала 30 000 газообразных атомов рубидия были охлаждены до сверхнизкой температуры менее 10 миллионных долей Кельвина с помощью лазерного охлаждения. Затем был приготовлен искусственный кристалл путем расположения атомов на расстоянии 0,5 микрона в кубической решетке с использованием оптической решетки.

Затем они облучали ультракороткими лазерными импульсами, которые мигают всего 10 миллиардных долей секунды, чтобы возбудить электроны, захваченные на 5S-орбиталях атомов, в гигантские 35D-электронные орбитали (ридберговские орбитали) и наблюдали, что происходит с искусственным кристаллом. Исследователи наблюдали образование «квантовой запутанности», уникальной корреляции для квантово-механических частиц, в масштабе времени в несколько сотен пикосекунд из-за сильного взаимодействия между удаленными атомами.

Дальнейшее развитие и социальная значимость этого исследования

Сверхбыстрое квантовое моделирование магнитных материалов, достигнутое с помощью платформы холодных атомов, было реализовано с использованием уникальной схемы, разработанной той же исследовательской группой для управления массивом из 30 000 атомов с помощью сверхбыстрого лазера. Исследовательская группа продемонстрировала, что сверхбыстрый квантовый симулятор является революционной платформой.

Ожидается, что инновационный сверхбыстрый квантовый симулятор, разработанный исследовательской группой, в будущем будет модернизирован, чтобы выяснить происхождение физических свойств материалов, таких как магнетизм, и предоставить рекомендации по разработке квантовых материалов, которые демонстрируют важные функции (устройства следующего поколения и функциональные устройства), использующие квантово-механические эффекты, и, таким образом, привнести инновации в исследования материалов.

Ожидается также, что он внесет вклад в развитие квантовых технологий за счет понимания квантовой запутанности, незаменимого ресурса для квантовых компьютеров и квантовых сетей, в крупномасштабной системе, близкой к будущему практическому уровню. Кроме того, ожидается, что он станет инструментом решения социальных проблем, таких как логистика, пробки на дорогах и транспортировка электроэнергии, которые трудно решить даже с помощью суперкомпьютеров, с помощью квантово-механических эффектов.