Физики заставили танцевать котов Шрёдингера

Размер одного из самых сложных в приготовлении квантово-запутанных состояний — состояния Гринбергера-Хорна-Зейлингера (GHZ) — достиг 60 кубитов. Ученым не только удалось с высокой точностью приготовить многокубитное состояние, но и придумать, как продлить время его жизни. Препринт статьи доступен на arXiv.org.

Возможность создавать и оперировать запутанными состояниями — одно из главных преимуществ квантовых вычислителей. Поэтому физики часто обращают внимание не только на число кубитов процессора, но и на то, какой размерности запутанное состояние он может приготовить. Увеличение числа кубитов в состоянии GHZ снижает степень их перепутанности и делает систему более чувствительной к шуму. Способ стабилизации состояния зависит от природы кубитов — можно экспериментировать со структурой вычислителя, менять взаимодействие между кубитами, использовать коды коррекции ошибок или физические особенности системы. Кубиты на сверхпроводниках сложно изолировать друг от друга и воздействовать на каждый отдельно, а коды коррекции ошибок требуют большого числа дополнительных кубитов.

Бао Цзэхан (Zehang Bao) из Чжэцзянского университета совместно с коллегами предложил новый способ создания устойчивых запутанных состояний на сверхпроводниковых кубитах. Они собрали 60-кубитное GHZ состояние, которое ведет себя как дискретный временной кристалл, что делает его устойчивым к шуму. GHZ-состояние — максимально запутанное состояние кота Шрёдингера, поэтому авторы в названии статьи говорят о «танцующих котах». Именно «танцы» в виде осцилляций между двумя изолированными состояниями позволили реализовать временной кристалл.

По аналогии с обычными кристаллами, временные кристаллы имеют строго заданную структуру, но только не в пространстве, а во времени. Разрушить эту структуру может только сильное внешнее взаимодействие. В остальных случаях кристалл стремится вернуться к начальному состоянию равновесия, совершая колебания вблизи него. В отличие от пространственных кристаллов, где колебания означают реальное перемещение атомов, во временных кристаллах речь идет об изменениях их характеристик: например, пространственного распределения или магнитного момента.

Для приготовления временного кристалла физики облучали уже приготовленное состояние микроволновыми импульсами. Так они могли менять состояния кубитов во времени, заставляя квантовые свойства системы тоже осциллировать и образовывать временной кристалл.

Запутывание кубитов на начальном этапе перед созданием временного кристалла осуществляли операции CNOT: кубиты запутывали попарно, начиная из центра, если представить их в двумерной сетке. Ученым удалось запутать 60 кубитов и получить GHZ-состояние с точностью порядка 60 процентов. Параллельно на другом процессоре они получили точность выше 70 процентов, но для 36 кубитов. Все дальнейшие эксперименты физики проводили с 36-кубитным состоянием, отметив, что их протокол запутывания легко масштабируется на бо́льшее число кубитов. Оказалось, что даже с 36 кубитами получается собрать квантовые цепи глубиной примерно в триста слоев и реализовать до семи тысяч гейтов.

Для эксперимента с временным кристаллом физики собрали кубиты в цепь Изинга с периодическими граничными условиями. Среди собственных состояний такой системы есть два изолированных состояния, которые находятся далеко от других состояний по энергиями. Это значит, что для перехода в любое состояние, отличное от этих двух, системе требуется значительная энергия, которой обычно не обладает внешний шум. То есть система оказывается устойчивой к воздействиям и при этом осциллирует между двумя состояниями.

Физики называют такое поведение системы квантовыми шрамами (тоже фигурирует в названии статьи) и сравнивают с бильярдом Синая, где, несмотря на большое число не повторяющихся траекторий бильярдных шаров (в случае квантовой системы — множество разных состояний), находятся выделенные траектории, по которым шар двигается чаще остальных — их и называют шрамами. В случае квантовой системы шрамы обозначают состояния, в которых система будет более стабильна.

Авторы замечают, что это первое практическое применение дискретного временного кристалла и планируют масштабировать его для исследования неравновесних систем многих тел и использования в квантовой метрологии, чувствительном сенсинге и других областях квантовых технологий.

Несмотря на то, что для решения каких-то задач временные кристаллы (если верить авторам) раньше не использовались, физики активно исследовали их и создавали в разных системах: например, в бозе-конденсате, на холодных атомах иттербия, или феромагнетиках при комнатной температуре.