Квантовый симулятор справился с непривычной для него задачей

Физики из Российского квантового центра создали пятикубитный квантовый вычислитель и смоделировали с его помощью систему из атомов, обменивающихся фотонами. Вычислитель представлял собой цепь из пяти сверхпроводящих кубитов — транcмонов, каждый из которых симулировал отдельный атом. Авторы использовали модель Бозе-Хаббарда для описания перемещения фотонов между искусственными атомами и показали, что эксперимент и симуляции соответствуют этой модели. Работа опубликована в Physical Review Letters.

В отличие от модели Хаббарда, моделирующей движение электронов (электроны являются фермионами) в кристаллической решетке твердого тела, модель Бозе-Хаббарда подходит для приближенного описания взаимодействия бозонов (отсюда «Бозе» в названии) в пространственной решетке. Самой распространенной реализацией модели считается оптическая решетка с ультрахолодными атомами — одна из платформ для квантовых вычислений. На базе такой платформы ученым уже удавалось создать экспериментальные решетки с несколькими миллионами ячеек, в то время как классические вычислители способны точно смоделировать решетки в 100 тысяч раз меньше.

Несмотря на то, что удобной платформой для реализации модели Бозе-Хаббарда все еще остаются ультрахолодные атомы, группа ученых под руководством Алексея Устинова (A. V. Ustinov) из Российского квантового центра показала, что для этой задачи подходит и платформа из сверхпроводниковых кубитов. Авторы ограничились пятью ячейками при моделировании и экспериментальной реализации модели для исследования взаимодействия и перемещения фотонов в одномерной пространственной решетке. Им удалось найти поведение системы, которое не способна описать классическая теория, и изучить влияние контролируемого беспорядка на транспорт фотонов.

(a) изображение экспериментальной платы; желтым отмечены волноводы для ввода-вывода излучения, зеленым сами транcмоны, оранжевым -- резонаторы для считывания информации с трансмонов, а красные линии обозначают управление трансмоном, (b) модель Бозе-Хаббарда для (a): Ω отвечает за внесение фотона в решетку, Γ — за утечку фотонов из крайних ячеек, а J — за перемещение из одной ячейки в другую; ℏωi — энергия локализованного фотона в i-той ячейка, где добавление еще одного фотона меняет меняет энергию на ℏαi < 0. (c) схема измерения спектров пропускания, (d) смещение частоты накачки при кросс-Керровской спектроскопии

Авторы изготовили плату с цепочкой из пяти сверхпроводящих кубитов, каждым из которых можно было управлять отдельно. Микроволновое излучение проходило через всю эту цепочку и его выходной спектр нес информацию о том, что происходило в схеме.

С точки зрения модели Бозе-Хаббарда экспериментальную схему можно представить как цепочку ячеек, в каждой из которых может находиться один или несколько фотонов, фотоны могут перемещаться (туннелировать) между ячейками, а фотоны из крайних ячеек могут покинуть цепочку.

Авторы меняли параметры двух разных ячеек — крайней левой и средней, после чего сравнивали результаты. Как и предсказывала теория, воздействие на крайнюю ячейку привело к изменениям каждой, а изменение средней влияло только на четные ячейки. Кроме того, ученым удалось обнаружить особенности спектра, которые не поддавались описанию в рамках классической теории. Увеличение мощности падающего излучения приводит к фотонной блокаде и поведение цепочки становится близким к поведению отдельных сверхпроводниковых кубитов.

Исследование влияния беспорядка в управлении трансмонами показало, что при достижении достаточного уровня возбуждение первого кубита перестает достигать последнего — это напоминает поведение перехода сверхпроводник-изолятор (первоначальная цель для описания с помощью модели Бозе-Хаббарда).

Физики планируют создать более масштабные симуляторы для проверки других более сложных теоретических предположений и в будущем продемонстрировать квантовое превосходство.

Кстати, платформа первого эксперимента по демонстрации квантового превосходства — сверхпроводники. Несмотря на то, что китайские ученые опровергли значительную разность во времени вычислений на квантовом симуляторе и классическом компьютере, алгоритм, предложенный в эксперименте, имеет свои преимущества.