Физики нашли у кубита свойства тепловой машины
Кубиты, созданные на основе джозефсоновского контакта, можно рассматривать как квантовые тепловые машины. Ученые из Бразилии смогли показать, что такой подход позволяет управлять динамикой образования и нарушения когерентных связей между элементами квантово-компьютерной цепи. Работа опубликована в Physical Review Letters.
Квантовые компьютеры используют в своей работе многие необычные свойства квантового мира, такие как запутанность, туннелирование или суперпозицию состояний. Единичным элементом квантового компьютера является кубит, представляющий собой или зафиксированный в ионной ловушке ион, или кольцо из сверпроводника с джозефсоновским контактом, ток по которому может течь в одном из двух противоположных направлений. Согласно принципу Ландауэра, в любой вычислительной системе при стирании информации выделяется тепло. Поэтому и квантово-вычислительные системы могут рассматриваться как тепловые машины, в которых происходят процессы обмена энергии и изменения энтропии. Однако непонятно, от чего зависит КПД такой тепловой машины, и чем определяются ее тепловые потери.
В своей работе физики из Бразилии исследовали энергетические изменения, происходящие при циклических процессах в простейшей квантово-вычислительной цепи из двух сверхпроводниковых кубитов. Моделью такой цепи является система из двух квантовых ям, между которыми возможно туннелирование. Ученые предложили рассмотреть систему как тепловую машину, в которой рабочим телом является идеальный квантовый газ, а рабочий объем ограничивается стенками квантовой ямы. Управлять энергией такой системы можно с помощью изменения ширины одной из квантовых ям. Этот процесс аналогичен совершению работы при изменения рабочего объема тепловой машины.
Оказалось, что изменение энергии и выполнение работы в такой «тепловой машине» происходит по двум механизмам: первый связан непосредственно с заселенностью энергетических уровней, а второй относится к образованию и нарушению когерентных связей между квантовыми частицами в системе. При этом именно динамика процессов когеренции и декогеренции приводит в неадиабатических условиях к возникновению «трения», тепловым потерям и снижению КПД.
Отдельно физики изучили динамику изменения когерентности между двумя квантовыми частицами в неадиабатичесих условиях. Для этого они рассмотрели систему, в которой к основному периодическому колебанию стенки квантовой ямы, которое запускает работу «квантовой тепловой машины», был добавлен классический гауссовский шум. Оказалось, что это действительно приводит к экспоненциальному затуханию амплитуды когерентности, которая через 80 циклов работы не превышает уровень шума.
По словам ученых, приведенные ими оценки для энергетических потерь в процессе работы квантово-вычислительной цепи помогут создать системы для управления процессами образования и нарушения когерентной связи между квантовыми элементами. Это может оказаться важно, например, для молекулярных машин, в которых квантовая когерентность может повысить эффективность работы, как это происходит, например, в биологических системах, осуществляющих фотосинтез.
Термодинамика определяет работу и других квантовых систем, работа которых основана на использовании кубитов, например, именно термодинамические принципы приводят к ограничению точности работы квантовых часов.
Александр Дубов
Новый эксперимент в восемь раз превосходит по точности предыдущие измерения
Американские физики уточнили величину сверхтонкого расщепления уровня 2S атома водорода с помощью радиочастотного метода Рамзея. Вычисленная в результате этого комбинация расщеплений 1S и 2S уровней оказалась в хорошем согласии с теоретическими оценками, выполненными в рамках квантовой электродинамики. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Простейший атом, состоящий лишь из протона и электрона — атом водорода — наилучшим образом подходит для точных проверок теории электромагнитного взаимодействия. Для этого физики измеряют интервалы между энергетическими уровнями или иные свойства атома, а затем пытаются воспроизвести их с помощью вычислений. На заре квантовой физики для предсказания спектра атома водорода было достаточно нерелятивистской квантовой механики. Затем ученые научились различать более тонкие эффекты: релятивизм, спин-орбитальное взаимодействие и, наконец, влияние квантовых флуктуаций, известное как лэмбовский сдвиг. Дальнейшее уточнение потребовало учета взаимодействия электронных оболочек со спином ядра (сверхтонкая структура), а также поправок на конечный размер ядра. Последнее, с одной стороны, позволило определить размер протона спектроскопическими методами, но, с другой, стало препятствием к точным тестам квантовой электродинамики, поскольку радиус протона сам по себе стал объектом большой дискуссии. Подробнее об этой проблеме мы рассказывали в материале «Щель в доспехах». Обойти ее могло бы измерение определенных комбинаций частот, в которых вклады от размера ядра уничтожаются. Пример такой комбинации — разность между восьмикратным значением сверхтонкого расщепления уровня 2S1/2 и однократным уровня 1S1/2 атома водорода. Вычислению этой величины посвящена работа Райана Буллиса (Ryan Bullis) и его коллег из университета Колорадо. При измерении указанной комбинации главным источником ошибок остается неопределенность сверхтонкой структуры уровня 2S. Фактически, измерение этого расщепления и было основной задачей физиков. Для этого они использовали метод Рамзея, выполненный в радичастотном диапазоне. Суть эксперимента заключалась в пропускании пучка атомов водорода, предварительно возбужденных двухфотонным поглощением в состояние 2S1/2 (F=0), через сложную катушку, создающую переменное поле с частотой, близкой к 177 мегагерцам. Такое радиочастотное поле стимулирует переходы в сверхтонкий подуровень с F=1 — физики считали атомы в таком состоянии на выходе из катушки с помощью каналового электронного умножителя. Чтобы оставшиеся на F=0 подуровне атомы не влияли на сигнал, авторы переводили их на 2P уровень с помощью дополнительного переменного электрического поля с частотой 910 мегагерц, создаваемого конденсатором. В ходе эксперимента физики слегка меняли частоту колебания магнитного поля и следили за поведением сигнала — количества атомов на F=1 подуровне. Нужный интервал проявил себя в виде резонанса на определенной частоте. После поправок на систематические эффекты значение этой частоты оказалось равным 177 556 838,87(85) герца. Этому значению соответствует величина комбинации, равная 48 959,2(6,8) герца, что хорошо согласуется с теорией — 48 954,1(2,3) герца. Новое значение оказалось в восемь раз точнее, чем предыдущий эксперимент, проведенный оптическими методами, и в 60 раз точнее, чем прошлое измерение с помощью радиочастотных полей. В перспективе авторы планируют еще больше увеличить точность измерения, сделав катушку больше. Не так давно мы рассказывали про измерение сверхтонкого расщепления 2S уровня в мюонии — связанной системе антимюона и электрона.