Οι κβαντικοί προσομοιωτές δημιουργούν μια εντελώς νέα φάση ύλης

Οι κβαντικοί υπολογιστές, προβλέπουν οι λάτρεις, μια μέρα δεν θα κάνουν θαύματα - από το σπάσιμο των ψηφιακών κρυπτογραφήσεων μέχρι το σχεδιασμό θαυμάτων φαρμάκων. Σε αυτό το πρώιμο στάδιο, ωστόσο, το πλεονέκτημα πολλών κβαντικών αλγορίθμων παραμένει εικαστικό. Και ορισμένοι ερευνητές αναρωτιούνται εάν είναι ακόμη δυνατός ο απαραίτητος έλεγχος σε υποατομικό επίπεδο. "Είναι ένας πολύ τρομακτικός στόχος", δήλωσε ο Markus Greiner, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.

Ωστόσο, ακόμη και χωρίς πλήρως ανεπτυγμένους κβαντικούς υπολογιστές, οι φυσικοί χρησιμοποιούν σχετικούς, πιο εξειδικευμένους τύπους μηχανών - κβαντικούς προσομοιωτές - για να πραγματοποιήσουν έναν από τους αρχικούς στόχους του πεδίου:να μιμηθούν τη βυζαντινή συμπεριφορά των κβαντικών συστημάτων.

Όπως το έθεσε ο Richard Feynman σε μια διάλεξη του 1981, «Η φύση δεν είναι κλασική, διάολε, και αν θέλετε να κάνετε μια προσομοίωση της φύσης, καλύτερα να την κάνετε κβαντομηχανική».

Τα τελευταία χρόνια, ομάδες στο Παρίσι και στο Κέμπριτζ της Μασαχουσέτης έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο προς αυτόν τον σκοπό χρησιμοποιώντας έναν κβαντικό προσομοιωτή τύπου σκούρου αλόγου. Έχουν κάνει μια σειρά από προσομοιώσεις που θα χρειαστούν μήνες ή περισσότερο για να αναπαραχθούν σε έναν κλασικό υπολογιστή.

«Εξερευνούν ορισμένα από τα σύνορα της φυσικής», είπε ο Ivan Deutsch, πρωτοπόρος της τεχνολογίας, επί του παρόντος στο Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού.

Σήμερα, η ομάδα του Κέιμπριτζ αποκάλυψε τη σημαντικότερη ανακάλυψή της μέχρι σήμερα:την ανίχνευση μιας άπιαστης κατάστασης ύλης, γνωστής ως υγρό κβαντικού σπιν, που υπάρχει έξω από το αιωνόβιο παράδειγμα που περιγράφει τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να οργανωθεί η ύλη. Επιβεβαιώνει μια θεωρία σχεδόν 50 ετών που προβλέπει την εξωτική κατάσταση. Σηματοδοτεί επίσης ένα βήμα προς το όνειρο της κατασκευής ενός πραγματικά χρήσιμου καθολικού κβαντικού υπολογιστή.

«Αν πάρω ολόκληρη την ιστορία των υπερψυχρών ατομικών πειραμάτων, πιθανότατα ήταν ένα από τα πιο εντυπωσιακά και πρωτοποριακά πειράματα στον τομέα», δήλωσε ο Ehud Altman, θεωρητικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ.

Μείνετε ουδέτεροι 

Η νέα εργασία χρησιμοποιεί μια νέα προσέγγιση στον κβαντικό υπολογισμό που βασίζεται σε ουδέτερα άτομα. Αν και η μέθοδος έχει μείνει πίσω από πιο δημοφιλείς τεχνολογίες κβαντικών υπολογιστών, όπως υπεραγώγιμα κυκλώματα ή παγιδευμένα ιόντα, τα ουδέτερα άτομα έχουν ειδικές ιδιότητες που έχουν αιχμαλωτίσει εδώ και καιρό τη φαντασία των κβαντικών μηχανικών.

Το κλειδί για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή είναι να συγκεντρωθεί μια συλλογή από qubits - κβαντικά αντικείμενα παρόμοια με τα κλασικά bit - που ικανοποιούν δύο αντιφατικές απαιτήσεις. Τα qubits πρέπει πρώτα να έχουν τείχος προστασίας από τον έξω κόσμο, διαφορετικά οι δονήσεις και η θερμότητα θα καταστρέψουν το κβαντικό mojo τους. Ωστόσο, πρέπει ταυτόχρονα να είναι προσβάσιμα και χειραγωγήσιμα.

Τα ουδέτερα άτομα εξισορροπούν αυτές τις απαιτήσεις ιδιαίτερα καλά, λένε οι υποστηρικτές. Οι ακτίνες λέιζερ μπορούν να συλλάβουν και να μετακινήσουν άτομα όπως μια δέσμη τρακτέρ, προστατεύοντάς τα από εξωτερικές παρεμβολές. Ένας πρόσθετος παλμός λέιζερ μπορεί να φουσκώσει τα άτομα σε μια υπερμεγέθη κατάσταση "Rydberg", παρόμοια με την ανατροπή σε ένα κλασικό κομμάτι. Κρίσιμα, αυτά τα qubit ουδέτερου ατόμου μπορούν να υποθέσουν «υπερθέσεις» ότι είναι μεγάλα και μικρά ταυτόχρονα και μπορούν επίσης να συνδεθούν το ένα με το άλλο εξ αποστάσεως μέσω «διαπλοκής» - τα δύο βασικά συστατικά για τον κβαντικό υπολογισμό.

Οι ερευνητές επεκτείνουν τον έλεγχό τους στα ουδέτερα άτομα εδώ και δύο δεκαετίες. Πρωτοποριακές ομάδες άρπαξαν μεμονωμένα άτομα με «τσιμπιδάκια» λέιζερ το 2001 και στη συνέχεια μπλέχτηκαν ζεύγη ατόμων το 2010. Μια σημαντική ανακάλυψη έγινε το 2016, όταν οι ομάδες στο Κέιμπριτζ και στο Παρίσι επεξεργάστηκαν πώς να τσακώσουν ορδές από δεκάδες άτομα. Οι μηχανές επόμενης γενιάς έχουν φτάσει σε τριψήφιο αριθμό, καθιστώντας τους επίδοξους υπολογιστές ισχυρούς προσομοιωτές κβαντικών φαινομένων.

«Μιλάμε για 256 qubits έναντι 100 ή 50 qubits», είπε ο Deutsch. "Αυτό έχει πραγματικά σημασία."

Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει αυτά τα πλέγματα ουδέτερων ατόμων για να διερευνήσουν φάσεις κβαντικής ύλης. Αυτές είναι σαν τις γνωστές φάσεις του υγρού και του στερεού, αλλά με πιο εξωτικές και περίπλοκες διαμορφώσεις που επιτρέπονται με την προσθήκη υπέρθεσης και εμπλοκής στο μείγμα. Η εξερεύνηση των κβαντικών φάσεων είναι μια θεμελιώδης επιδίωξη, αλλά μπορεί επίσης να έχει πρακτικές εφαρμογές, όπως η κατανόηση του τι προκαλεί την υπεραγωγιμότητα σε υψηλή θερμοκρασία.

Οι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης μελετούν τέτοιες φάσεις χρησιμοποιώντας κρυστάλλους που βρίσκονται στη φύση και τι μπορούν να καλλιεργήσουν στα εργαστήριά τους. Αλλά οι ερευνητές ουδέτερων ατόμων μπορούν να «προγραμματίσουν» με ευελιξία την ύλη τους, τοποθετώντας με ακρίβεια τα άτομα σε πλέγματα οποιουδήποτε σχήματος και μηχανολογώντας κατά παραγγελία ατομικές αλληλεπιδράσεις μέσω του χειρισμού των καταστάσεων Rydberg.

«Βασικά», είπε ο Μιχαήλ Λούκιν, ηγέτης του ομίλου του Κέιμπριτζ, «συναρμολογούμε έναν τεχνητό κρύσταλλο».

Αυτό το καλοκαίρι, και οι δύο ομάδες του Cambridge και του Παρισιού προσομοίωσαν μια θεωρία του μαγνητισμού - το κβαντικό μοντέλο Ising - για συστοιχίες 256 και 196 ατόμων, αντίστοιχα, και μέτρησαν με ακρίβεια πώς οι θύλακες του μαγνητισμού μεγαλώνουν και συρρικνώνονται με την αλλαγή της θερμοκρασίας για πρώτη φορά. Οι προσομοιώσεις θα χρειάζονταν μήνες για να γίνουν σε έναν κλασικό υπολογιστή. «Η πειραματική συσκευή βρίσκεται σε ένα στάδιο όπου η προσπάθεια προσομοίωσης του πράγματος γίνεται ανέφικτη», είπε ο Thierry Lahaye, ένας φυσικός που συνεργάζεται με την ομάδα του Παρισιού. Και οι δύο ομάδες περιέγραψαν τις κβαντικές προσομοιώσεις Ising τους στο Nature τον Ιούλιο.

Τώρα η συνεργασία του Κέιμπριτζ, που αποτελείται από την ομάδα του Λούκιν στο Χάρβαρντ, το εργαστήριο του Γκρέινερ στο Χάρβαρντ και την ομάδα του Βλάνταν Βούλετιτς στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, έχει χρησιμοποιήσει τον κβαντικό προσομοιωτή τους για να διερευνήσει μια πολυπόθητη φάση της ύλης.

Το 1973, ο Philip Anderson, πρωτοπόρος στη συμπυκνωμένη ύλη και τελικά βραβευμένος με Νόμπελ, προέβλεψε ότι η ύλη θα μπορούσε να εισέλθει σε μια παράξενη κατάσταση που ονομάζεται υγρό κβαντικού σπιν. Πολλά άτομα έχουν μια κβαντική ιδιότητα γνωστή ως «σπιν», η οποία καθορίζει μια κατεύθυνση. Οι περιστροφές αλληλεπιδρούν μαγνητικά, γεγονός που μπορεί να τις κάνει να τείνουν να δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις, ειδικά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αλλά εάν τρία άτομα είναι διατεταγμένα σε ένα τρίγωνο, μόνο δύο από τα τρία μπορούν να δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις. Επομένως, ένα τρίγωνο πλέγμα ατόμων δεν μπορεί να «παγώσει» σε ένα τακτοποιημένο σχέδιο περιστροφών. Ακόμη και στο απόλυτο μηδέν, οι περιστροφές συνεχίζουν να κυμαίνονται, ανάλογες με τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα κυλούν σε ένα υγρό.

Τα υγρά κβαντικής περιστροφής παρουσιάζουν μεγάλη εμπλοκή. Αυτό το χαρακτηριστικό οδηγεί σε «τοπολογική» τάξη, επειδή μεμονωμένα σωματίδια μπορούν να αισθανθούν τη συνολική τοπολογία - ή τη γεωμετρία του συστήματος. Ανοίξτε μια τρύπα σε ένα παγάκι και θα παραμείνει παγωμένο, αλλά αφαιρέστε τα άτομα στο κέντρο ενός υγρού κβαντικού σπιν και οι ιδιότητες του συστήματος θα μπορούσαν να αλλάξουν. Αυτό τοποθετεί τα υγρά κβαντικής σπιν σε μια νέα κατηγορία ύλης.

Διάφορες ομάδες έχουν δει έμμεσους υπαινιγμούς υγρών κβαντικής σπιν, όπως στο ορυκτό Herbertsmithite, το οποίο έχει μια κρυσταλλική δομή ιδιαίτερα απογοητευτική για τα άτομα. Αλλά είναι σχεδόν αδύνατο να επιβεβαιωθεί άμεσα η κατάσταση ενός υλικού ως υγρού κβαντικού σπιν, επειδή η καθοριστική του εμπλοκή και η σχετική τοπολογική τάξη δεν μπορούν να μετρηθούν σε ένα σημείο.

Η ομάδα του Κέιμπριτζ χρησιμοποίησε τον κβαντικό προσομοιωτή για να δει από ψηλά. Πρώτα προγραμμάτισαν τα ουδέτερα άτομά τους να ενεργούν όπως τα άτομα στο Herbertsmithite, με την κατάσταση on-off Rydberg να αποτελεί το spin. Στη συνέχεια μέτρησαν τις καταστάσεις Rydberg σε βρόχους και σειρές ατόμων για να λάβουν μη τοπικές παρατηρήσεις που περιλαμβάνουν εμπλοκή. Το αποτέλεσμα είναι η πρώτη άμεση μέτρηση της τοπολογικής τάξης ενός υγρού κβαντικού σπιν.

«Το εκπληκτικό είναι ότι φαίνεται πολύ πειστικό», είπε ο Άλτμαν, ο οποίος δεν συμμετείχε.

Η πρώτη ξεκάθαρη ανακάλυψη μιας τοπολογικά διατεταγμένης φάσης ύλης - το φαινόμενο κλασματικής κβαντικής αίθουσας - κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1998. Τώρα οι κβαντικοί προσομοιωτές δίνουν στους ερευνητές τον απαραίτητο έλεγχο για να αναλύσουν διεξοδικά ένα δεύτερο παράδειγμα.

"Αυτή η ανίχνευση υγρών κβαντικής σπιν - κατά την άποψή μου, είναι μια πολύ ιδιαίτερη στιγμή", είπε ο Λούκιν.

Αύξηση κλιμάκωσης

Οι κβαντικοί προσομοιωτές θα μπορούσαν να αποδειχθούν χρήσιμοι για μια σειρά πρακτικών προβλημάτων και και οι δύο ομάδες ουδέτερων ατόμων έχουν ξεκινήσει επιχειρήσεις spinoff:η Pasqal για την ομάδα του Παρισιού και η QuEra Computing στο Cambridge, η οποία νωρίτερα αυτόν τον μήνα ανακοίνωσε ότι συγκέντρωσε 17 εκατομμύρια δολάρια από επενδυτές, συμπεριλαμβανομένων των Ιάπωνων ο γίγαντας επικοινωνιών και ηλεκτρονικού εμπορίου Rakuten.

Μακροπρόθεσμα, οι εταιρείες ελπίζουν να μετατρέψουν τους προσομοιωτές τους σε παγκόσμιους κβαντικούς υπολογιστές ικανούς να χειριστούν οποιονδήποτε κβαντικό υπολογισμό. Αυτό θα απαιτούσε απόλυτο έλεγχο σε μεμονωμένα άτομα για να τα χρησιμοποιήσει ως qubits πλήρους εμφυσήσεως. Αν και δεν είναι τόσο ώριμοι από αυτή την άποψη όσο οι υπεραγώγιμοι κβαντικοί υπολογιστές από την Google και την IBM - η οποία ανακοίνωσε πρόσφατα έναν παγκόσμιο κβαντικό επεξεργαστή 127 qubit - τα ουδέτερα άτομα μπορεί να καλύψουν τη διαφορά. «Μερικές φορές αρχίζω να είμαι δύσπιστος», είπε ο Γκρέινερ. "Τότε, ταυτόχρονα κοιτάζω το εργαστήριό μας και βλέπω ότι ακόμη και με μια χούφτα άτομα μπορούμε να κάνουμε πράγματα που κανένας υπερυπολογιστής δεν μπορεί να υπολογίσει."