Согласно квантовой природе

Ученые из МФТИ, МИСиС, РКЦ, МГТУ и ВНИИА провели эксперимент, в котором сверхпроводниковые кубиты симулировали передачу фотонов в модели Бозе — Хаббарда. Эта модель используется в физике для описания перехода «сверхпроводник — изолятор» и в общем случае не интегрируема, что делает ее особенно интересной в качестве полигона для проверки прототипов квантовых вычислителей. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters. 

Сегодня в мировом научном сообществе выделилось два направления разработки квантовых вычислителей: универсальные квантовые компьютеры, которые смогут выполнять специализированные алгоритмы во много раз быстрее, чем классические аналоги, и квантовые симуляторы, которые создаются специально для решения конкретных задач подобно интегральным схемам специального назначения (ASIC). Так как в первом случае требуется обязательно применять алгоритмы коррекции ошибок, реализация универсальных вычислителей является гораздо более сложной инженерной задачей; для симуляторов же проблемы заключаются скорее в достижении соответствия физической системе, для которой они создаются. 

Многими теоретическими и несколькими экспериментальными работами было показано, что массивы кубитов-трансмонов хорошо подходят для изучения свойств модели Бозе — Хаббарда, что делает их интересным инструментом не только для разработки квантовых процессоров, где этот тип кубитов играет сейчас доминирующую роль, но и для создания квантовых симуляторов с целью решения проблем физики конденсированного состояния.

В новом исследовании, проведенном российскими учеными, впервые показано, что линейные массивы трансмонов могут использоваться для изучения спектров модели Бозе — Хаббарда в сравнительно простой архитектуре: путем подключения их к микроволновым волноводам и проведения прямой спектроскопии пропускания. В такой схеме симулятор воспроизводит динамику нелинейного квантового кристалла в неравновесном диссипативном режиме, который до этого изучался лишь теоретически. 

В работе были исследованы многофотонные переходы к многочастичным состояниям с четырьмя возбуждениями из пяти возможных для исследованной цепочки, что является текущим рекордом в таких системах. Численное решение модели на классическом компьютере для проверки экспериментальных данных, полученных за два часа, заняло около недели на 138-ядерном вычислительном кластере ВНИИА им. Духова и показало блестящее соответствие между теорией и измерениями. Этот результат, полученный всего лишь на пяти трансмонах, показывает, что разработка систем с большим числом кубитов позволит наблюдать поведение моделей, сложность расчета которых лежит далеко за пределами большинства суперкомпьютеров. Стоит признать, что методы расчета непрерывно совершенствуются, но можно с уверенностью сказать, что простота масштабирования квантовых симуляторов и экспоненциальный рост их производительности с числом кубитов дают им существенное преимущество.

Проведенное исследование открывает новые горизонты как в области применения квантовых симуляторов, так и в квантовой оптике многочастичных квантовых систем, продолжая успешные совместные исследования лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ и лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС. Ученые надеются, что дальнейшее сотрудничество позволит разработать, изготовить и исследовать более крупные системы кубитов с необычными свойствами, которые сейчас предсказаны только в теоретических работах.