Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали квантовый симулятор, который может спроектировать взаимодействия между сотнями квантовых битов (кубитов) — в 10 раз больше по сравнению с предыдущими устройствами, сообщает «WordScience.org».
Как было описано 26-го апреля 2012-го года в журнале «Nature», симулятор прошёл ряд важных испытаний и учёные готовы к изучению проблем в науке о материалах, которые невозможно смоделировать на обычных компьютерах.
Многие важные проблемы в физике (особенно физика низких температур) ещё мало малоизучены, потому что основная квантовая механика является чрезвычайно сложной. Обычные компьютеры (даже суперкомпьютеры) неспособны моделировать квантовые системы имеющие больше 30-ти частиц. Для понимания и рационального дизайна материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники, свойства которых, как считается, зависят от коллективного квантового поведения сотен частиц, необходимы мощные вычислительные инструменты.
Симулятор «NIST» — это крошечный кристалл имеющий размер в диаметре менее 1-го миллиметра и состоящий из сотен ионов бериллия. Наиболее удалённый электрон каждого иона действует, как крошечный квантовый магнит и используется в качестве кубитов — квантовый эквивалент «1» или «0» в обычном компьютере. В эксперименте физики использовали лазерные лучи для охлаждения ионов вблизи абсолютного нуля. Тщательно рассчитанные микроволновые и лазерные импульсы, заставляли кубиты взаимодействовать, подражая квантовому поведению материалов, которые очень сложно изучать в лабораторных условиях. Хотя эти две системы внешне могут показаться не схожими, их поведение было разработано таким способом, чтобы они были математически идентичными. Таким образом, симуляторы позволяют исследователям изменять параметры, которые не могут быть изменены в естественных твёрдых веществах, таких как атомный интервал решётки и геометрия. В «NIST» экспериментах, сила взаимодействия была намеренно слабой, чтобы моделирование было достаточно простым для классического компьютера. Текущие же исследования используют гораздо сильные взаимодействия.
Симулятор использует свойство квантовой механики, называемое суперпозицией, где квантовая частица может находиться в двух различных состояниях в одно и то же время, например: выравнена и оторвана от внешнего магнитного поля. Таким образом, число состояний одновременно доступно до 3 кубитов. Например число 8, которое растёт экспоненциально числу кубитов: 2N состояний для N кубитов.
Важно то, что симулятор «NIST» также может спроектировать второе свойство квантовой запутанности между называемыми кубитами так, что даже физически разделённые частицы могут быть тесно взаимосвязаны.
В последние годы наблюдается огромный интерес к квантовому моделированию и учёные по всему миру стремятся представить небольшие демонстрации. Однако все эти эксперименты до недавнего времени использовали менее 30-ти квантовых частиц — порог, при котором на обычных компьютерах расчёты становятся невозможными. В отличие от них симулятор «NIST» имеет большой контроль над сотнями кубитов. Это порядковое увеличение «кубит-число» увеличивает пространство квантового состояния симулятора в геометрической прогрессии. Просто записать на бумаге состояние 350-ти кубитов квантовый симулятор не сможет — для этого потребуется больше, чем гугол цифр: 10100 = 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.
За последние 10 лет, исследовательская группа «NIST» провела рекордное количество экспериментов в квантовых вычислениях, изобретая атомные часы, а теперь и в квантовом моделировании. В отличие от квантовых компьютеров, которые являются универсальными устройствами, способными когда-нибудь решать широкий круг вычислительных задач, симуляторы «специального назначения» дают представление о конкретных проблемах.
Эта работа была частично поддержана «Defense Advanced Research Projects Agency». Со-авторы из Джорджтаунского университета (Georgetown University), Университета штата Северная Каролина (North Carolina State University), Южной Африки и Австралии способствовали проведению данного исследования.
