Российские физики собрали кукварты из ионов
Российские ученые научились более эффективно использовать ионы квантового вычислителя для кодирования информации. Им удалось задействовать четыре энергетических уровня иона, превратив его не в кубит, а в кукварт, что позволит вместо четырех ионов использовать для тех же целей всего два. Работа открывает отличный от привычного путь масштабирования платформы для квантовых вычислений на ионах, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию N + 1.
Описание любой платформы для квантовых вычислений не обходится без базового элемента — кубита. Кубит — это двухуровневая система, она описывает атом, ион, фотон, трансмон или дефект в решетке и каждая их этих реализаций кубита может находиться в двух крайних состояниях: 0 или 1; или же в состоянии их суперпозиции. Если рассматривать атомы или ионы, где роль состояний играют энергетические уровни, то можно обнаружить, что в вычислениях задействуют лишь малую часть всей системы. Довольно естественным способом кажется использовать все или хотя бы еще несколько энергетических уровней, то есть приготавливать кудиты — системы с больше, чем двумя уровнями.
Группа физиков из Российского квантового центра и Физического института имени Лебедева РАН под руководством Николая Колачевского (N. Kolachevskiy) смогла экспериментально реализовать такой подход для 4 энергетических уровней. В результате им удалось масштабировать систему без добавления дополнительных ионов, задействовав для вычислений дополнительные уровни уже существующих частиц.
Ученые использовали атомы иттербия Yb+ для создания куквартов — кудитов с четырмя уровнями. Процедуры загрузки ионов в ловушку, их охлаждение и выстраивание для создания ионного кристалла не отличаются от тех, что требуются для работы с кубитами. Главное отличие в возбуждении ионов состоит втом, что в случае кубитов необходимо осуществлять и регистрировать переходы между двумя уровнями энергии, а в случае кутритов или куквартов в игру вступают еще один или два уровня ().
Несмотря на очевидность идеи создания кудитов, технически реализовать ее оказывается не так просто из-за того, что приходится задействовать близкорасположенные энергетические уровни. Авторы подбирали резонансное излучение для каждого из переходов: из состояния 0 в состояние 1, 2 или 3. При этом важно, что для реализации однокудитной операции им было необходимо фокусироваться на одном ионе и проводить все манипуляции только над ним. Поэтому при исследовании однокудитных операций и, ученые проверяли насколько хорошо им удавалось не затрагивать соседний ион.
Результат применения одно- или двухкудитной операции можно оценить по тому, как после нее перераспределились электроны по энергетическим уровням. В квантовомеханических терминах — спроецировать полученное состояние на заданный базис. В эксперименте физикам необходимо было направлять охлаждающее излучение на один из ионов и следить за сигналом от него: если ион проецировался в состояние 0, то он начинал активно рассеивать фотоны, что легко регистрировал детектор; во всех остальных случаях флуоресценция иона оказывалась подавленной, как и фотонный сигнал от него. Единократное проведение такого измерения не может с хорошей точностью описать заселенность уровней, поэтому авторы набирали статистику и получали близкие к реальности данные о распределении электронов.Если перед началом детектирования применить однокудитную операцию и поменять местами населенности нулевого состояния и какого-либо еще, то таким же способом можно измерить заселенность этого уровня.
Реализация двухкудитной операции требует более сложной схемы возбуждения — бихроматического излучения на двух частотах, которые подбираются с необходимой отстройкой, пропорциональной частоте Раби. Детектирование состояния, полученного в результате применения двухкудитной операции, во многом похоже на описанную процедуру для однокудитной, но задействует оба иона. Из-за этого необходимо довольно точно разделять три разных исхода измерения: когда оба иона проецируются в состояние 0, когда в 0 проецируется только один из них или оба проецируются в ненулевое состояние. Для этого ученые делают калибровки перед экспериментом — они измеряют какого уровня сигнал на детекторе можно зарегистировать от каждого иона, когда он находится в невозбужденном состоянии.
Просто научиться проводить операции над кудитами не все, что нужно для квантовых вычислений. Все операции необходимо проводить с высокой точностью, то есть быть уверенным в том, что каждое одно- или двухкудитное работает так, как описывает теория. Проверку достоверности применяемых операций можно делать разными способами — сравнивая с теоретическими предсказаниями разных величин. В работе авторы измеряли зависимость населенности каждого из четырех энергетических уровней для разных длительностей импульсов излучения и сравнивали полученные графики с теоретическими. Изначальную задачу, которую ставили себе физики — научиться делать операции с достоверностью не ниже 50 процентов — им удалось решить.
Подробно о том, как начиналась работа над холодными атомами и ионами в России и как развивались разные научные группы, в том числе и группа автором исследования можно узнать из нашего материала «Квантовое преследование». А о разных успехах в платформе на ионах из работ по ее масштабированию, моделированию сложных квантовых систем или минитюаризации до размеров серверной стойки.
Оксана Борзенкова
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.