_ Fizicienii produc Majorana protejată de simetrie moduri de margine pe computerul cuantic

Fizicienii de la Google Quantum AI și-au folosit computerul cuantic pentru a studia un tip de particule eficace care este mai rezistentă la perturbările de mediu care pot degrada calculele cuantice. Aceste particule eficiente, cunoscute sub denumirea de moduri de margine Majorana, se formează ca urmare a unei excitații colective a mai multor particule individuale, precum valurile oceanului care se formează din mișcările colective ale moleculelor de apă. Modurile de margine Majorana prezintă un interes deosebit în aplicațiile de calcul cuantic, deoarece prezintă simetrii speciale care pot proteja stările cuantice, altfel fragile, de zgomotul din mediu.

Fizicianul materiei condensate Philip Anderson a scris odată: „Este doar exagerând puțin cazul pentru a spune că fizica este studiul simetriei”. Într-adevăr, studierea fenomenelor fizice și a relației lor cu simetriile subiacente a fost principala direcție a fizicii de secole. Simetriile sunt pur și simplu afirmații despre transformările pe care le poate suferi un sistem - cum ar fi o translație, rotație sau inversare printr-o oglindă - și rămân neschimbate. Ele pot simplifica problemele și pot elucida legile fizice subiacente. Și, așa cum se arată în noua cercetare, simetriile pot chiar preveni procesul cuantic aparent inexorabil de decoerență.

Când rulăm un calcul pe un computer cuantic, de obicei dorim biții cuantici, sau „qubiți”, în computerul să fie într-o singură stare cuantică pură. Dar decoerența apare atunci când câmpurile electrice externe sau alte zgomote de mediu perturbă aceste stări, amestecându-le cu alte stări pentru a crea stări nedorite. Dacă o stare are o anumită simetrie, atunci ar putea fi posibilă izolarea acesteia, creând efectiv o insulă de stabilitate care este imposibil de amestecat cu celelalte stări care nu au și o simetrie specială. În acest fel, din moment ce zgomotul nu mai poate conecta starea simetrică de celelalte, ar putea păstra coerența stării.

În 2000, fizicianul Alexei Kitaev a conceput un model simplu de generare protejată de simetrie. stări cuantice. Modelul a constat dintr-un lanț de particule interconectate numite fermioni. Ele ar putea fi conectate în așa fel încât două particule eficiente să apară la capetele lanțului. Dar acestea nu erau particule obișnuite – au fost delocalizate în spațiu, fiecare apărând la ambele capete ale lanțului simultan.

Acestea erau modurile de margine Majorana (MEM). Cele două moduri au avut comportamente distincte sub așa-numita transformare a parității. Un mod arăta identic sub această transformare, deci era o simetrie a statului. Celălalt a luat semnul minus. Diferența de paritate dintre aceste două stări a însemnat că ele nu puteau fi amestecate de multe surse externe de zgomot (adică cele care aveau și simetrie de paritate).

În noua lor lucrare publicată în Science și intitulată „Noise-resilient”. Moduri de margine Majorana pe un lanț de qubiți supraconductori”, Xiao Mi, Pedram Roushan, Dima Abanin și colegii lor de la Google au realizat aceste MEM cu qubiți supraconductori pentru prima dată. Ei au folosit o transformare matematică numită transformarea Jordan-Wigner pentru a mapa modelul pe care Kitaev l-a considerat pe unul pe care l-ar putea realiza pe computerul lor cuantic: modelul 1D kicked-Ising. Acest model conectează fiecare qubit dintr-un lanț 1D la fiecare dintre cei mai apropiați doi vecini ai săi, astfel încât qubitii învecinați interacționează unul cu celălalt. Apoi, o „lovitură” perturbă periodic lanțul.

Mi și colegii săi au căutat semnături ale MEM-urilor comparând comportamentul qubiților de margine cu cei din mijlocul lanțului. În timp ce starea qubiților din mijloc s-a decoerat rapid, stările celor de pe margine au durat mult mai mult. Mi spune că aceasta a fost „o indicație preliminară pentru rezistența MEM-urilor față de decoerența externă”.

Echipa a efectuat apoi o serie de studii sistematice privind rezistența la zgomot a MEM. Ca prim pas, au măsurat energiile corespunzătoare diferitelor stări cuantice ale sistemului și au observat că se potriveau exact cu exemplul manual al modelului Kitaev. În special, ei au descoperit că cele două MEM de la capetele opuse ale lanțului sunt exponențial mai dificil de amestecat pe măsură ce dimensiunea sistemului crește – o caracteristică distinctă a modelului Kitaev.

În continuare, echipa a perturbat sistemul. prin adăugarea de zgomot de joasă frecvență la operațiile de control din circuitele cuantice. Ei au descoperit că MEM-urile erau imune la astfel de perturbări, contrastând puternic cu alte moduri de margine generice fără simetrii. În mod surprinzător, echipa a descoperit, de asemenea, că MEM-urile sunt rezistente chiar și la un zgomot care rupe simetriile modelului Ising. Acest lucru se datorează unui mecanism numit „pretermalizare”, care rezultă din costul mare de energie necesar pentru a schimba MEM-urile în alte posibile excitații din sistem.

În sfârșit, echipa a măsurat funcțiile de undă complete ale MEM-urilor. Acest lucru a necesitat măsurarea simultană a stărilor unui număr variabil de qubiți aproape de fiecare capăt al lanțului. Aici au făcut o altă descoperire surprinzătoare: Indiferent de câți qubiți ar fi inclus o măsurătoare, timpul de descompunere a fost identic. Cu alte cuvinte, măsurătorile care implică chiar și până la 12 qubits s-au degradat pe aceeași scară de timp ca și cele pentru un singur qubit. Acest lucru a fost contrar așteptării intuitive că observabilele cuantice mai mari se degradează mai repede în prezența zgomotului și a evidențiat și mai mult natura colectivă și rezistența la zgomot a MEM.

Mi și Roushan cred că, în viitor, ar putea să poată folosi MEM-uri pentru a activa porți cuantice protejate de simetrie. Munca lor demonstrează că MEM-urile sunt insensibile atât la zgomotul de joasă frecvență, cât și la erorile mici, așa că aceasta este o cale promițătoare pentru a realiza porți mai robuste într-un procesor cuantic.

Cercetătorii intenționează să continue să îmbunătățească nivelul. de protecție pe care aceste MEM-uri experimentează, sperăm să rivalizeze cu unele dintre tehnicile de vârf folosite pentru a lupta împotriva decoerenței în calculatoarele cuantice. Abanin spune: „O întrebare cheie pentru lucrările viitoare este dacă aceste tehnici pot fi extinse pentru a atinge niveluri de protecție comparabile cu codurile active de corectare a erorilor.”

(Fluierul)