Квантовый симулятор справился с непривычной для него задачей
Российские физики 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 ячейку, в которой могут находиться атомы. 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 из Российского квантового центра, Московского физико-технического института, Национального исследовательского технологического университета МИСиС и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н. Л. Духова под руководством Алексея Устинова (A. V. Ustinov) 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.
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 выходная амплитудно-фазо-частотная характеристика несла 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 амплитудно-фазо-частотной характеристики, 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.
Оксана Борзенкова
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.