Атомы вместо фотонов: cоздан квантовый компьютер нового типа

Американские ученые разработали новый тип бозонного сэмплера, который использует атомы вместо фотонов. Команда исследователей использовала свою систему для определения сложного квантового состояния с точностью, недостижимой для классических компьютеров. Атомы взаимодействуют гораздо сильнее, чем фотоны, что делает новую систему перспективной платформой для моделирования конденсированных сред. В будущем она может найти применение в квантовых вычислениях.

Ключевые свойства бозонов

Одним из определяющих свойств бозонов является возможность неограниченного числа частиц занимать одно и то же состояние одновременно. Это приводит к необычным явлениям, таким как эффект Хонга-Оу-Мандела, когда два неразличимых фотона, попадая на делитель луча с коэффициентом 50:50, всегда выходят через один и тот же порт. Моделирование подобных эффектов с участием множества фотонов и делителей луча чрезвычайно сложно для классических компьютеров, которые способны обрабатывать лишь около 50 бозонов.

Применение атомов в бозонном сэмплере

В новой работе, группа Адама Кауфмана из JILA в Боулдере, штат Колорадо, использовала атомную оптику для создания бозонного сэмплера. Они разместили 180 атомов стронция-88 в квадратную оптическую решетку с размером 48×48 ячеек. Ключом к успеху стало применение оптических пинцетов для перемещения атомов. Аарон Янг, тогда аспирант Кауфмана, поясняет: «Мы много работали над тем, чтобы настроить пинцеты для точного адресации отдельных ячеек решетки. Наши пинцеты меньше, чем обычные».

Ход эксперимента

После точного размещения атомов, исследователи отключили пинцеты, затем охладили атомы лазером и зафиксировали начальное квантовое состояние. Далее они уменьшили глубину потенциальной ямы решетки, позволив атомам туннелировать между ячейками. Через заданное время они вновь увеличили глубину потенциальной ямы, сильно сжав атомы и позволив им зафиксировать их положение с помощью фотонов.

Проверка системы

Следующим шагом была проверка системы. «Сертификация бозонного сэмплера так же сложна, как и его моделирование», объясняет Янг. Так как невозможно смоделировать бозонный сэмплер с 180 неразличимыми атомами классическим способом за разумное время, было решено использовать косвенную сертификацию, исследуя случаи, когда бозоны были различимы. Подобное состояние может возникнуть в результате несовершенного охлаждения.

Результаты эксперимента

«По мере того как мы делаем атомы все более различимыми, мы переходим от проблемы, которую очень сложно смоделировать, к случаю, когда мы решаем задачу для одного атома 180 раз», говорит Янг. «И где-то посередине мы пересекаем порог, где снова возможно смоделировать нашу задачу на обычном компьютере. Мы проверяем две вещи: во-первых, что по мере изменения этого параметра система ведет себя корректно; во-вторых, что в случае достаточной различимости атомов эксперимент соответствует теории». Результаты показали, что атомы были примерно на 99,5% неразличимы.

Перспективы исследования

Команда намерена исследовать, как система может быть использована как платформа для перепрограммируемой квантовой логики. «В нашей системе мы находимся в точке, где атомы, с очень хорошей точностью, не взаимодействуют друг с другом, но очень легко вернуть взаимодействия», отмечает Янг. Это может позволить моделирование задач в физике конденсированного состояния и даже обеспечить путь к универсальным квантовым вычислениям. Оптические пинцеты могут использоваться для изменения энергий ячеек решетки, что предоставляет доступ к универсальному набору управляющих параметров.

Физик из Чикагского университета Чэн Чин впечатлен исследованием. Он отмечает, что благодаря низким потерям по сравнению с фотонами, группа Кауфмана продемонстрировала, что атомы обеспечивают «гораздо более высокую точность, необходимую для идеального бозонного самплинга». Он добавляет: «Что касается этой конкретной задачи, применение холодных атомов является замечательным шагом для демонстрации преимуществ квантовой обработки информации. Возможно, теперь с подходом Адама можно контролировать, в каком направлении движутся бозоны и вводить взаимодействия между атомами, что намного проще, чем между фотонами. Это открывает множество новых возможностей, выходящих за рамки того, что могут делать фотоны».

Исследование опубликовано в журнале Nature .