Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Сверхбыстрое квантовое моделирование крупномасштабной квантовой запутанности

Сверхбыстрое квантовое моделирование крупномасштабной квантовой запутанности
Сверхбыстрое квантовое моделирование крупномасштабной квантовой запутанности

Исследовательская группа под руководством профессора Кенджи Омори из Института молекулярных наук Национального института естественных наук использует искусственный кристалл из 30 000 атомов, выстроенных в кубическую решетку с шагом 0,5 микрона, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю. Манипулируя атомами с помощью специального лазерного света, который мигает в течение 10 пикосекунд, им удалось выполнить квантовое моделирование модели магнитных материалов.

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.

Их результаты были опубликованы в Интернете в журнале Physical Review Letters.

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) материалы, 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.

Теги: квант, суперкомпьютер

В тренде