Квантовый вычислитель уместили в две серверные стойки
Ученым удалось уменьшить размеры квантового вычислителя и уместить его в две серверные стойки. В качестве кубитов они использовали ионы, которые смогли собрать в цепочки до 50 штук, а для 24 даже создать запутанное состояние. Работа опубликована в журнале PRX Quantum.
Каждая из платформ для реализации квантовых вычислений имеет свои особенности и недостатки, которые мешают ей стать массовой и применимой в быту. Возможности таких устройств ограничиваются лабораторными экспериментами, для которых не требуется создание компактных устройств. Ученые намного больше сосредоточены на том, чтобы увеличивать мощности существующих вычислителей, чем создать маломощное, но реальное и компактное устройство.
Группа исследователей под руководством Томаса Монца (T. Monz) из Инсбрукского университета имени Леопольда и Франца не оставила в стороне этот вопрос и смогла собрать квантовый вычислитель на ионах, который уместился в две серверные стойки. При этом уменьшение размеров установки не сказалось на качестве результатов, полученных в эксперименте. Ученым удалось достичь существующего в лабораторных условиях уровня экспериментов.
Проблема, с которой ожидали столкнуться экспериментаторы при попытке собрать все модули вычислителя — высокие шумы и сложности в механической стабилизации. Кроме того, они старались оптимально сгруппировать все модули устройства и использовать простые в обслуживании и качественные элементы. Например, они выбрали ионы кальция-40 из-за наличия компактных лазеров для накачки и оптических элементов с хорошими характеристками. Кодировать кубиты-ионы тоже можно разными способами — использовать оптические переходы или микро- и радиоволны. Авторы остановились на первом варианте — для его реализации нужен всего один лазерный пучок, а сам процесс загрузки ионов в оптическую ловушку, приготовление нужного состояния и манипулирование им не вызывают сложностей.
Несмотря на все возможные технические упрощения схемы, потребовалось три лазерных модуля для того, чтобы выполнять все операции, которые необходимы для реализации квантовых вычислений: один импульсный с высокой мощностью непосредственно для загрузки ионов в ловушку, второй — перестраиваемый по длине волны — для их удержания и перезагрузки кубитов, а третий для дополнительного охлаждения ионов методом боковой полосы. Под все лазерные модули и необходимые для них управляющие блоки ученые выделили отдельную серверную стойку, все остальные части установки, включая саму ловушку и ее управляющие модули, они разместили на второй стойке.
В лабораторных условиях для стабилизации установки используют массивные оптические столы на специальных опорах с виброизоляцией, поэтому авторы сравнивали шум, который наблюдали в эксперименте с шумом от оптического стола. Механические вибрации влияют не только на стабильность самой ячейки с ионами, но и вносят шум в управляющие ионами пучки. Управление ионами позволяет реализовывать однокубитные и двухкубитные операции, и чем шумнее управляющий пучок, тем хуже получатся эти операции. Исследователи следили за вибрационной стабильностью в разных точках установки и не обнаружили ее видимого ухудшения в сравнении с оптическим столом.
Нестабильность цепочки ионов возникает из-за столкновения с оставшимися после охлаждения тепловыми атомами и может приводить к тому, что ионы смещаются со своих мест, либо объединяются и образуют молекулу. Ученым удалось получить цепочку из 32 ионов, которая в течение 12 часов потеряла только один ион. Стабильности кубитов и управляющих ими операций еще не достаточно для того, чтобы иметь возможность запутывать их с высокой точностью и реализовывать любые операции. Поэтому авторы следили за тем, как тесно ионы «общаются» между собой: насколько изменение состояния одного из них повлияет на его соседа (называется этот параметр crosstalk). Понятно, что при интенсивном взаимодействии между ионами было бы невозможно осуществлять заданные операции над одними и тем более двумя кубитами. Измеренное в работе значение оказалось меньше четырех процентов, что позволяет проводить вычисления.
Решение всех возможных технических трудностей позволило ученым приготовить запутанное состояние из 24 кубитов, что, по их утверждениям, пока не удавалось сделать без использования постобработки. Кроме этого, они показали базовые возможности управления цепочкой из 50 ионов — это уровень уже существующих лабораторных систем. Оценить его можно на примере работы по созданию 53-кубитной системы для описания сложных квантовых систем или планов и успехов Honeywell по созданию самого мощного квантового вычислителя на ионах.
Оксана Борзенкова
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.