Υπερταχεία κβαντική προσομοίωση μεγάλης κλίμακας κβαντικής εμπλοκής

Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Kenji Ohmori στο Ινστιτούτο Μοριακής Επιστήμης, Εθνικά Ινστιτούτα Φυσικών Επιστημών, χρησιμοποιεί έναν τεχνητό κρύσταλλο 30.000 ατόμων ευθυγραμμισμένο σε μια κυβική διάταξη με απόσταση 0,5 μικρών, που ψύχεται σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν. Με το χειρισμό των ατόμων με ένα ειδικό φως λέιζερ που αναβοσβήνει για 10 picosecond, κατάφεραν να εκτελέσουν μια κβαντική προσομοίωση ενός μοντέλου μαγνητικών υλικών.

Το νέο σχήμα τους “υπερταχύς κβαντικός υπολογιστής” που αποδείχθηκε πέρυσι εφαρμόστηκε στην κβαντική προσομοίωση. Το επίτευγμά τους αποδεικνύει ότι το μυθιστόρημά τους “υπερταχύς κβαντικός προσομοιωτής” είναι μια πλατφόρμα εποχής, καθώς μπορεί να αποφύγει το πρόβλημα του εξωτερικού θορύβου, ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα των κβαντικών προσομοιωτών. Ο «υπερταχύς κβαντικός προσομοιωτής» αναμένεται να συμβάλει στον σχεδιασμό λειτουργικών υλικών και στην επίλυση κοινωνικών προβλημάτων.

Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν διαδικτυακά στη διεύθυνση Επιστολές φυσικής εξέτασης.

Η κβαντική τεχνολογία, η οποία έχει δει έντονο ανταγωνισμό στην ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια, όπως κβαντικοί υπολογιστές, κβαντικοί προσομοιωτές και κβαντικοί αισθητήρες, είναι μια ποιοτικά νέα τεχνολογία που εκμεταλλεύεται την «κυματική φύση» των ηλεκτρονίων και των ατόμων. Δεδομένου ότι η κβαντική τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση σε λειτουργικά υλικά, φαρμακευτικά προϊόντα, ασφάλεια πληροφοριών, τεχνητή νοημοσύνη κ.λπ., γίνονται τεράστιες επενδύσεις σε όλο τον κόσμο.

Ένας κβαντικός προσομοιωτής είναι μια συσκευή που προσομοιώνει τη σύνθετη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων και άλλων μικροσκοπικών σωματιδίων σε ένα στερεό χαρτογραφώντας τα σε ένα εξαιρετικά ελεγχόμενο υλικό μοντέλου. Αναμένεται να λύσει προβλήματα που θα χρειάζονταν άπειρο χρόνο ακόμη και με τον ταχύτερο υπερυπολογιστή, δημιουργώντας έτσι ανατρεπτική καινοτομία για την επίλυση κοινωνικών προβλημάτων όπως η επιμελητεία και η κυκλοφοριακή συμφόρηση και η ανάπτυξη υπεραγώγιμων και μαγνητικών υλικών.

Από την άλλη πλευρά, οι κβαντικές καταστάσεις που δημιουργούνται από κβαντομηχανικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα άτομα υποβαθμίζονται εύκολα από το θόρυβο από το εξωτερικό περιβάλλον και τα λέιζερ, καθιστώντας δύσκολη την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών.

Το 2022, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Kenji Ohmori των Εθνικών Ινστιτούτων Φυσικών Επιστημών δημιούργησε μια εξαιρετικά γρήγορη πύλη δύο qubit που λειτουργεί σε μόλις 6,5 νανοδευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας ψυχρά άτομα, βελτιώνοντας την ταχύτητα της πύλης των δύο qubit κατά δύο τάξεις μεγέθους ως σε σύγκριση με τη συμβατική προσέγγιση ψυχρού ατόμου, ανοίγοντας έτσι το δρόμο για την υλοποίηση ενός εξαιρετικά γρήγορου κβαντικού υπολογιστή που μπορεί να αγνοήσει τις επιπτώσεις του θορύβου.

Εάν η υπερταχεία προσέγγισή τους μπορεί να εφαρμοστεί σε κβαντικές προσομοιώσεις, αναμένεται επίσης να λύσει το πρόβλημα του θορύβου και να δημιουργήσει έναν καινοτόμο και εξαιρετικά αξιόπιστο κβαντικό προσομοιωτή.

Αποτελέσματα της έρευνας

Η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε εξαιρετικά γρήγορες κβαντικές προσομοιώσεις ενός μοντέλου μαγνητικών υλικών προετοιμάζοντας μια ατομική συστοιχία 30.000 ατόμων, ψύχοντας σχεδόν στο απόλυτο μηδέν και χειρίζοντάς τα με υψηλή ακρίβεια χρησιμοποιώντας έναν παλμό λέιζερ που τρεμοπαίζει για μόλις 10 picoseconds.

Ο υπερταχύς κβαντικός προσομοιωτής κατάφερε να προσομοιώσει το σχηματισμό κβαντικής εμπλοκής (το θέμα του περσινού βραβείου Νόμπελ Φυσικής), που είναι ένας μοναδικός συσχετισμός σωματιδίων της κβαντικής μηχανικής, σε 600 picoseconds, ο ταχύτερος στον κόσμο. Ο υπερταχύς κβαντικός προσομοιωτής εφαρμόζει το νέο σχήμα “υπερταχύς κβαντικός υπολογιστής” σε έναν κβαντικό προσομοιωτή: αποφεύγει το φαινόμενο κλειδώματος Rydberg με ένα εξαιρετικά γρήγορο λέιζερ.

Η υπέρβαση του προβλήματος του θορύβου και η επίτευξη υψηλής ταχύτητας, ακριβούς ελέγχου είναι τα κλειδιά για αξιόπιστη κβαντική προσομοίωση. Η ταχύτερη κβαντική προσομοίωση στον κόσμο από την ομάδα είναι τρεις τάξεις μεγέθους ταχύτερη από τους συμβατικούς προσομοιωτές και περισσότερες από 1.000 φορές ταχύτερη από τον θόρυβο, επιτρέποντας την παράβλεψη των επιπτώσεων του θορύβου.

Η κβαντική εμπλοκή, μια περίεργη συσχέτιση που εμφανίζεται σε κβαντομηχανικά σωματίδια όπως άτομα και ηλεκτρόνια που συνθέτουν την ύλη, είναι μια ουσιαστική έννοια για την κατανόηση του «κβαντικού» κόσμου, αν και θεωρείται εξαιρετικά δύσκολο να μετρηθεί σε συστήματα και υλικά μεγάλης κλίμακας. πραγματικός.

Αυτό το επίτευγμα, το οποίο προσομοιώνει το σχηματισμό μεγάλης κλίμακας “κβαντικής εμπλοκής” σε εξαιρετικά γρήγορη χρονική κλίμακα, αναμένεται να συμβάλει στην ανάπτυξη της κβαντικής τεχνολογίας κατανοώντας την “κβαντική εμπλοκή”, μια βασική πηγή για κβαντικούς υπολογιστές και δίκτυα, στο μέλλον. συστήματα μεγάλης κλίμακας κοντά στο πρακτικό επίπεδο.

Επιπλέον, οι κβαντικές προσομοιώσεις μαγνητικών υλικών αναμένεται να προωθήσουν την κατανόησή μας για την προέλευση των φυσικών ιδιοτήτων υλικών όπως ο μαγνητισμός. Θα παρέχει επίσης καθοδήγηση για το σχεδιασμό λειτουργικών συσκευών και υλικών επόμενης γενιάς που επιδεικνύουν θεαματική λειτουργικότητα μέσω της χρήσης κβαντικών μηχανικών εφέ.

Το πείραμα διεξήχθη χρησιμοποιώντας άτομα ρουβιδίου. Πρώτον, 30.000 αέρια άτομα ρουβιδίου ψύχθηκαν σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία μικρότερη από 10 εκατομμυριοστά του Kelvin χρησιμοποιώντας ψύξη λέιζερ. Στη συνέχεια παρασκευάστηκε ένας τεχνητός κρύσταλλος με διάταξη των ατόμων σε απόσταση 0,5 μικρών σε μια κυβική διάταξη χρησιμοποιώντας ένα οπτικό πλέγμα.

Στη συνέχεια ακτινοβόλησαν υπερμικρούς παλμούς λέιζερ που τρεμοπαίζουν για μόλις 10 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου για να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια παγιδευμένα στα τροχιακά 5S των ατόμων σε γιγάντια τροχιακά ηλεκτρονίων 35D (τροχιακά Rydberg) και παρατήρησαν τι συμβαίνει στον τεχνητό κρύσταλλο. Οι ερευνητές παρατήρησαν τον σχηματισμό της «κβαντικής εμπλοκής», μιας συσχέτισης μοναδικής για τα κβαντομηχανικά σωματίδια, σε χρονική κλίμακα μερικών εκατοντάδων picosecond λόγω της ισχυρής αλληλεπίδρασης μεταξύ απομακρυσμένων ατόμων.

Μελλοντική εξέλιξη και κοινωνική σημασία αυτής της έρευνας.

Η υπερταχεία κβαντική προσομοίωση μαγνητικών υλικών που επιτεύχθηκε με την πλατφόρμα ψυχρού ατόμου πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα μοναδικό σχήμα που αναπτύχθηκε από την ίδια ερευνητική ομάδα για τον χειρισμό μιας συστοιχίας 30.000 ατόμων με ένα εξαιρετικά γρήγορο λέιζερ. Η ερευνητική ομάδα απέδειξε ότι ο εξαιρετικά γρήγορος κβαντικός προσομοιωτής είναι μια επαναστατική πλατφόρμα.

Ο καινοτόμος υπερταχύς κβαντικός προσομοιωτής που αναπτύχθηκε από την ερευνητική ομάδα αναμένεται να βελτιωθεί περαιτέρω στο μέλλον για να αποσαφηνίσει την προέλευση των φυσικών ιδιοτήτων υλικών όπως ο μαγνητισμός και να παρέχει κατευθυντήριες γραμμές για το σχεδιασμό κβαντικών υλικών που παρουσιάζουν θεαματικές λειτουργίες (συσκευές διπλανής πόρτας ).παραγωγή και λειτουργικές συσκευές). υλικά που χρησιμοποιούν κβαντομηχανικά αποτελέσματα) και έτσι συμβάλλουν στην καινοτομία στην έρευνα υλικών.

Αναμένεται επίσης να συμβάλει στην ανάπτυξη της κβαντικής τεχνολογίας κατανοώντας την κβαντική εμπλοκή, έναν απαραίτητο πόρο για κβαντικούς υπολογιστές και δίκτυα, σε ένα σύστημα μεγάλης κλίμακας κοντά στο μελλοντικό πρακτικό επίπεδο. Επιπλέον, αναμένεται να γίνει εργαλείο για την επίλυση κοινωνικών προβλημάτων όπως η επιμελητεία, η κυκλοφοριακή συμφόρηση και η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία είναι δύσκολο να επιλυθούν ακόμη και με υπερυπολογιστές, με τη χρήση κβαντομηχανικών επιδράσεων.