Физики воспроизвели топологическую цепочку из 100 спинов на квантовом компьютере
Квантовый процессор IBM воспроизвел модель необычного состояния материи, состоящую из 100 взаимодействующих спинов. Физики подтвердили скрытый топологический порядок сразу тремя независимыми способами.
Источник: Новости науки
МОСКВА, 3 сентября /Новости науки/. Физики воспроизвели на квантовом компьютере IBM цепочку из 100 взаимодействующих спинов с защищенным топологическим порядком. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале npj Quantum Information.
Такие состояния отличаются от привычных магнитных фаз тем, что их невозможно распознать по намагниченности отдельных частиц. Порядок скрыт в распределенных по всей системе квантовых связях и сохраняется при воздействиях, не нарушающих определенную симметрию. Подобные свойства рассматриваются как возможная основа для устойчивой квантовой памяти, защищенной передачи спина и вычислений, менее чувствительных к ошибкам.
«Одновременное наблюдение этих независимых диагностических признаков дает масштабируемый и программируемый способ подготовки и изучения защищенных топологических фаз на квантовых процессорах», — пишут авторы работы.
Исследователи изучали одномерную модель, в которой 100 частиц со спином 1/2 образуют цепочку с чередующимися по силе связями. Ученые рассчитали четыре основных состояния этой системы, относящиеся к двум топологическим фазам Холдейна, а затем преобразовали расчеты в набор команд для сверхпроводникового квантового процессора IBM.
Для этого физики совместили классический метод расчета многочастичных систем с приближенной квантовой компиляцией на основе тензорных сетей. Полученные схемы имели глубину от 18 до 39 операций CNOT, а их расчетное соответствие заданным состояниям составило от 97,9 до 99%. Небольшая глубина схемы особенно важна для современных квантовых компьютеров, в которых ошибки быстро накапливаются по мере увеличения числа операций.
Наличие топологического порядка ученые проверили тремя способами. Они обнаружили так называемый струнный порядок на участках длиной до 20 узлов, характерную структуру спектра квантовой запутанности и защищенные спиновые состояния на краях цепочки. Обычные корреляции между отдельными частицами при этом быстро исчезали, тогда как скрытые связи сохранялись на значительно большем расстоянии.
Краевые состояния проявились как намагниченность, сосредоточенная у концов цепочки и затухающая по направлению к ее середине. Измеренная длина их локализации составила около двух узлов и оказалась близка к результатам классического расчета. Спектр запутанности также менялся ожидаемым образом в зависимости от того, какую из двух чередующихся связей мысленно разрывали исследователи.
Авторы отмечают, что на квантовом процессоре величина струнного порядка постепенно снижалась с увеличением исследуемого участка и не выходила на постоянный уровень. Пока неясно, объясняется ли это накоплением ошибок при считывании большого числа частиц или шум действительно разрушает топологический порядок на более протяженных участках системы.
Ранее защищенные топологические фазы изучали с помощью холодных атомов, ридберговских систем, ионов в ловушках и цепочек из нанографена. Однако свойства материальных образцов во многом задаются еще при их изготовлении, а доступ к внутренней структуре квантового состояния остается ограниченным. Цифровой процессор позволяет программно менять длину цепочки, силу взаимодействий и граничные условия, а также непосредственно измерять разные характеристики волновой функции.
Новый подход может помочь исследовать дефекты, границы между различными квантовыми фазами и поведение многочастичных систем вдали от равновесия. Такие задачи быстро становятся слишком сложными для классических вычислительных методов, но могут оказаться доступными для программируемых квантовых устройств.
Такие состояния отличаются от привычных магнитных фаз тем, что их невозможно распознать по намагниченности отдельных частиц. Порядок скрыт в распределенных по всей системе квантовых связях и сохраняется при воздействиях, не нарушающих определенную симметрию. Подобные свойства рассматриваются как возможная основа для устойчивой квантовой памяти, защищенной передачи спина и вычислений, менее чувствительных к ошибкам.
«Одновременное наблюдение этих независимых диагностических признаков дает масштабируемый и программируемый способ подготовки и изучения защищенных топологических фаз на квантовых процессорах», — пишут авторы работы.
Исследователи изучали одномерную модель, в которой 100 частиц со спином 1/2 образуют цепочку с чередующимися по силе связями. Ученые рассчитали четыре основных состояния этой системы, относящиеся к двум топологическим фазам Холдейна, а затем преобразовали расчеты в набор команд для сверхпроводникового квантового процессора IBM.
Для этого физики совместили классический метод расчета многочастичных систем с приближенной квантовой компиляцией на основе тензорных сетей. Полученные схемы имели глубину от 18 до 39 операций CNOT, а их расчетное соответствие заданным состояниям составило от 97,9 до 99%. Небольшая глубина схемы особенно важна для современных квантовых компьютеров, в которых ошибки быстро накапливаются по мере увеличения числа операций.
Наличие топологического порядка ученые проверили тремя способами. Они обнаружили так называемый струнный порядок на участках длиной до 20 узлов, характерную структуру спектра квантовой запутанности и защищенные спиновые состояния на краях цепочки. Обычные корреляции между отдельными частицами при этом быстро исчезали, тогда как скрытые связи сохранялись на значительно большем расстоянии.
Краевые состояния проявились как намагниченность, сосредоточенная у концов цепочки и затухающая по направлению к ее середине. Измеренная длина их локализации составила около двух узлов и оказалась близка к результатам классического расчета. Спектр запутанности также менялся ожидаемым образом в зависимости от того, какую из двух чередующихся связей мысленно разрывали исследователи.
Авторы отмечают, что на квантовом процессоре величина струнного порядка постепенно снижалась с увеличением исследуемого участка и не выходила на постоянный уровень. Пока неясно, объясняется ли это накоплением ошибок при считывании большого числа частиц или шум действительно разрушает топологический порядок на более протяженных участках системы.
Ранее защищенные топологические фазы изучали с помощью холодных атомов, ридберговских систем, ионов в ловушках и цепочек из нанографена. Однако свойства материальных образцов во многом задаются еще при их изготовлении, а доступ к внутренней структуре квантового состояния остается ограниченным. Цифровой процессор позволяет программно менять длину цепочки, силу взаимодействий и граничные условия, а также непосредственно измерять разные характеристики волновой функции.
Новый подход может помочь исследовать дефекты, границы между различными квантовыми фазами и поведение многочастичных систем вдали от равновесия. Такие задачи быстро становятся слишком сложными для классических вычислительных методов, но могут оказаться доступными для программируемых квантовых устройств.
