Nauji analoginiai kvantiniai kompiuteriai, skirti išspręsti anksčiau neišspręstas problemas

Fizikai išrado naujo tipo analoginį kvantinį kompiuterį, galintį išspręsti sudėtingas fizikos problemas, kurių negali išspręsti galingiausi skaitmeniniai superkompiuteriai.

Paskelbtas naujas tyrimas Gamtos fizika bendradarbiaudami mokslininkai iš Stenfordo universiteto (JAV) ir Dublino universiteto koledžo (UCD) Airijoje parodė, kad naujo tipo labai specializuoti analoginiai kompiuteriai, kurių grandinėse yra kvantinių komponentų, gali išspręsti problemas iš pažangiausių kvantinės fizikos pažangos, kurios anksčiau buvo iškilusios. nepasiekiamas. Padidinus tokius įrenginius, jie gali atskleisti kai kurias svarbiausias neišspręstas fizikos problemas.

Pavyzdžiui, mokslininkai ir inžinieriai jau seniai norėjo geriau suprasti superlaidumą, nes egzistuoja superlaidžios medžiagos— pavyzdžiui, naudojami MRT aparatuose, Greitasis traukinys ir tolimojo energetinio efektyvumo elektros tinklai – šiuo metu veikia tik esant itin žemai temperatūrai, ribojantį platesnį jų naudojimą. Šventasis medžiagų mokslo gralis yra surasti medžiagas, kurios kambario temperatūroje yra superlaidžios, o tai pakeistų jų naudojimą daugelyje technologijų.

Dr. Andrew Mitchellas yra UCD kvantinės inžinerijos, mokslo ir technologijų centro (C-QuEST) direktorius, UCD fizikos mokyklos teorinis fizikas ir šio straipsnio bendraautoris.

Jis sakė: „Kai kurios problemos yra tiesiog per sudėtingos, kad jas galėtų išspręsti net greičiausi skaitmeniniai klasikiniai kompiuteriai. Tikslus sudėtingų kvantinių medžiagų, tokių kaip aukštos temperatūros superlaidininkai yra tikrai svarbus pavyzdys – toks skaičiavimas gerokai viršija dabartines galimybes dėl eksponentinių skaičiavimo laiko ir atminties reikalavimų, reikalingų tikroviškų modelių savybėms imituoti.

„Tačiau technologinė ir inžinerinė pažanga, skatinanti skaitmeninę revoliuciją, atnešė precedento neturintį gebėjimą valdyti materiją nanoskalėje. Tai leido mums sukurti specializuotus analoginius kompiuterius, vadinamus „kvantiniais simuliatoriais“, kurie išsprendžia specifinius kvantinės fizikos modelius. panaudoti būdingas kvantines mechanines jo nanoskalės komponentų savybes. Nors dar nesugebėjome sukurti universalaus programuojamo kvantinio kompiuterio, turinčio pakankamai galios išspręsti visas atviras fizikos problemas, dabar galime sukurti pagal užsakymą pagamintus analoginius įrenginius. su kvantiniais komponentais, kurie gali išspręsti konkrečias kvantinės fizikos problemas.

Šių naujų kvantinių įrenginių architektūra apima hibridinius metalo ir puslaidininkių komponentus, įtrauktus į nanoelektroninę grandinę, kurią sukūrė Stanfordo, UCD ir Energetikos departamento SLAC nacionalinės greitintuvo laboratorijos (įsikūrusios Stanforde) mokslininkai. Stenfordo eksperimentinė nanomokslų grupė, vadovaujama profesoriaus Davido Goldhaberio-Gordono, pastatė ir eksploatavo įrenginį, o teoriją ir modeliavimą atliko dr. Mitchellas iš UCD.

Profesorius Goldhaber-Gordon, Stanfordo medžiagų ir energetikos mokslų instituto mokslininkas, sakė: „Mes visada kuriame matematinius modelius, kurie, tikimės, atspindės mus dominančių reiškinių esmę, bet net jei tikime, kad jie. Teisingai, jie dažnai neišsprendžiami per protingą laiką.

Naudodami kvantinį simuliatorių „turime pasukti šias rankenėles, kurių niekas anksčiau neturėjo“, – sakė prof. Goldhaber-Gordon.

Kodėl analoginis?

Esminė šių analoginių įrenginių idėja, pasak Goldhaber-Gordon, yra sukurti tam tikrą aparatinės įrangos analogiją norimai išspręsti problemai, o ne rašyti tam tikrą programuojamo skaitmeninio kompiuterio kompiuterinį kodą. Pavyzdžiui, pasakykite, kad norėjote numatyti planetų judėjimą naktiniame danguje ir užtemimų laiką. Tai galite padaryti sukūrę mechaninį Saulės sistemos modelį, kai kas nors suka švaistiklį, o besisukančios blokuojančios pavaros vaizduoja mėnulio ir planetų judėjimą.

Tiesą sakant, toks mechanizmas buvo aptiktas senovinėje laivo nuolaužoje prie Graikijos salos krantų, skaičiuojamų daugiau nei 2000 metų. Šį įrenginį galima vertinti kaip labai ankstyvą analoginį kompiuterį.

Nepamirškite, kad analoginės mašinos buvo naudojamos net XX amžiaus pabaigoje matematiniams skaičiavimams, kurie tuo metu buvo per sunkūs pažangiausiems skaitmeniniams kompiuteriams.

Bet išspręsti Kvantinė fizika problemų, įrenginiuose turi būti kvantinių komponentų. Naujoji Quantum Simulator architektūra apima elektroninės grandinės su nanoskalės komponentais, kurių savybes reglamentuoja kvantinės mechanikos dėsniai. Svarbu tai, kad galima pagaminti daug tokių komponentų, kurių kiekvienas elgiasi iš esmės identiškai kaip ir kiti.

Tai labai svarbu analoginiam kvantinių medžiagų modeliavimui, kai kiekvienas grandinės elektroninis komponentas yra imituojamo atomo pakaitalas ir elgiasi kaip „dirbtinis atomas“. Lygiai taip pat, kaip skirtingi to paties tipo atomai medžiagoje elgiasi vienodai , taip pat turi būti naudojami skirtingi analoginio kompiuterio elektroniniai komponentai.

Todėl naujasis dizainas siūlo unikalų būdą išplėsti technologiją nuo atskirų vienetų iki didelių tinklų, galinčių imituoti didžiąją kvantinę medžiagą. Be to, mokslininkai parodė, kad tokiuose įrenginiuose gali būti sukurtos naujos mikroskopinės kvantinės sąveikos. Šis darbas yra žingsnis kuriant naujos kartos keičiamo dydžio kietojo kūno analoginius kvantinius kompiuterius.

Kvantinės pirmosios

Norėdami parodyti analoginio kvantinio skaičiavimo galią naudodami savo naują Quantum Simulator platformą, mokslininkai pirmiausia ištyrė paprastą grandinę, kurią sudaro du kartu sujungti kvantiniai komponentai.

Prietaisas imituoja dviejų atomų, sujungtų savita kvantine sąveika, modelį. Reguliuodami elektros įtampą, mokslininkai sugebėjo sukurti naują materijos būseną, kurioje elektronai, atrodo, turi tik 1/3 dalį įprasto elektros krūvio – vadinamuosius „Z3 parafermionus“. Šios sunkiai suvokiamos būsenos buvo pasiūlytos kaip pagrindas būsimam topologiniam kvantiniam skaičiavimui, tačiau niekada anksčiau nebuvo sukurtos laboratorijoje elektroniniame įrenginyje.

„Padidindami kvantinį simuliatorių nuo dviejų iki daugelio nano dydžio komponentų, tikimės, kad galėsime modeliuoti daug sudėtingesnes sistemas, kurių dabartiniai kompiuteriai negali susidoroti“, – sakė dr. Mitchellas. „Tai gali būti pirmasis žingsnis siekiant pagaliau atskleisti kai kurias mįslingiausias mūsų kvantinės visatos paslaptis.