Международная группа ученых экспериментально продемонстрировала квантовый симулятор математических операций, запрещенных физическими законами для непосредственной реализации в квантовых системах. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Квантовые симуляторы, известные также как квантовые компьютеры, обещают стать чрезвычайно эффективной заменой современным вычислительным машинам. Важный шаг на пути к этому был сделан в совместной работе экспериментальной группы из Университета Цинхуа (Китай) и теоретической группы из Университета страны басков (Испания). Авторам удалось показать, как с помощью квантовых симуляторов решать уравнения, содержащие математические операции, выполнение которых над квантовыми системами запрещено законами физики. Примером такой операции, рассмотренным в работе, стало взятие комплексного сопряжения.
В качестве примера было рассмотрено решение уравнения Майораны. Это уравнение связывает между собой искомую функцию и ее комплексно сопряженное значение. Уравнение Майораны было изначально введено для описания нейтрино, и позднее было использовано для предсказания эффекта осцилляций нейтрино, за открытие которого в этом году была вручена Нобелевская премия. Однако аналогичные уравнения могут появляться и в других областях физики, например, для описания некоторых свойств графена.
Идея, реализованная в обсуждаемой работе, основана на использовании так называемого встроенного квантового симулятора (embedding quantum simulator). Это обычный квантовый компьютер, начальное квантовое состояние которого, однако, не является непосредственно квантовым состоянием решаемого уравнения, а получается из него путем специального преобразования. Над этим состоянием квантовый компьютер совершает контролируемые экспериментатором преобразования, после чего происходит измерение конечного состояния. Это состояние снова преобразуется по определенному правилу, чтобы получить решение исходного уравнения.
В качестве квантового симулятора ученые использовали пойманный в ловушку и помещенный в сильное внешнее магнитное поле ион иттербия-171. Интересно, что у иона в этой системе были задействованы не два энергетических уровня, как обычно, а сразу четыре. Таким образом, формально он являлся не кубитом, а так называемым куквадом (ququad), то есть мог находиться не в двух, а сразу в четырех независимых состояниях. Управление динамикой иона проводилось многочастотным микроволновым источником.
Эксперимент показал, что предложенная в работе схема осуществления запрещенных законами физики операций дает приемлемый результат. В простейших случаях полученное квантовой системой решение уравнения Майораны с хорошей точностью совпало с решением, полученным теоретически.
Авторы работы надеются, что предложенный ими метод может быть распространен и на квантовые компьютеры с бóльшим количеством кубитов. В будущем это позволит решать сложные системы уравнений, содержащие математические операции, реализация которых невозможна стандартными методами квантовых вычислений из-за ограничений, вызванных законами физики. Анализ таких уравнений крайне востребован в физике элементарных частиц, а также в ряде других областей физики.
Артём Коржиманов