Calculul cuantic avansează cu nuclee de spin

RIVERSIDE, CALIFORNIA – Calculul cuantic, folosind legile mecanicii cuantice, este capabil să rezolve probleme stringente într-o gamă largă de domenii, de la medicină la învățarea automată, care sunt prea complexe pentru calculatoarele clasice. Simulatoarele cuantice sunt dispozitive realizate din module cuantice care interacționează care pot fi programate pentru a simula modele complexe ale lumii fizice. Oamenii de știință pot obține apoi informații despre aceste modele și, prin urmare, despre lumea reală, schimbând interacțiunile într-un mod controlat și măsurând comportamentul rezultat cu simulatoare cuantice.

în Lucrare de cercetare publicată în revista Physical Review BO echipă de cercetare condusă de Universitatea din California, Riverside a propus o serie de obiecte magnetice cuantice, numite centrii de spin, care pot, în prezența unui câmp magnetic extern, simularea cuantică a unei varietăți de faze magnetice ale materiei, precum și a tranzițiilor. între aceste faze.

„Proiectăm noi dispozitive care conțin centre de rotație și care pot fi folosite pentru a simula și a învăța despre fenomene fizice interesante care nu pot fi studiate pe deplin folosind computere clasice”, a spus el. Shan WencaiDomnul Fizica si astronomia„Centrii de rotație din materialele în stare solidă sunt obiecte cuantice localizate cu un potențial enorm neexploatat pentru proiectarea de noi simulatoare cuantice.”

conform Troy LozziProgresele înregistrate în aceste dispozitive pot face posibilă studierea unor modalități mai eficiente de stocare și transmitere a informațiilor, dezvoltând în același timp metodele necesare pentru a crea computere cuantice la temperatura camerei, spune Cai, studentul absolvent și primul autor al lucrării.

„Avem câteva idei despre cum să îmbunătățim simulatoarele cuantice bazate pe centrii de spin față de acest dispozitiv propus inițial”, a spus el „Folosirea acestor noi idei și analizarea unor aranjamente mai complexe ale centrelor de spin ar putea ajuta la crearea unor simulatoare cuantice care sunt mai ușor de construit și de construit. rulați, cu „Continuând să fiți capabil să simulați o fizică nouă și plauzibilă”.

Mai jos, Tsai și Lucy răspund la câteva întrebări despre cercetare:

Î: Ce este un simulator cuantic?

Tsai: Este un dispozitiv care exploatează comportamentele neobișnuite ale mecanicii cuantice pentru a simula o fizică interesantă, care ar fi dificil de calculat pentru un computer obișnuit. Spre deosebire de calculatoarele cuantice care funcționează folosind qubiți și operațiuni cu porți universale, simulatoarele cuantice sunt proiectate individual pentru a simula/rezolva probleme specifice. Prin sacrificarea programării universale a calculatoarelor cuantice în favoarea exploatării bogăției diferitelor interacțiuni cuantice și aranjamente geometrice, poate fi mai ușor să implementezi simulatoare cuantice și să furnizezi noi aplicații pentru dispozitivele cuantice, ceea ce este important deoarece calculatoarele cuantice nu sunt încă utile la nivel universal.

Centrul de spin este un obiect magnetic cuantic de dimensiunea aproximativă a unui atom care poate fi găzduit într-un cristal. Poate stoca informații cuantice, poate comunica cu alți centri de spin și poate fi controlat de lasere.

Î: Care sunt unele aplicații ale acestei lucrări?

Lozi: Putem construi simulatorul cuantic propus pentru a simula fazele magnetice exotice ale materiei și tranzițiile de fază dintre ele. Aceste tranziții de fază sunt de mare importanță deoarece comportamentele sistemelor foarte diferite devin identice la aceste tranziții, ceea ce implică existența unor fenomene fizice fundamentale care leagă aceste sisteme diferite.

Tehnicile folosite pentru a construi acest dispozitiv ar putea fi utilizate și în calculatoarele cuantice bazate pe centrii de rotație, care sunt un candidat principal pentru dezvoltarea computerelor cuantice la temperatura camerei, în timp ce majoritatea computerelor cuantice necesită temperaturi extrem de scăzute pentru a funcționa. În plus, dispozitivul nostru presupune că centrele de rotație sunt plasate într-o linie dreaptă, dar este posibil să plasați centrele de rotație în aranjamente tridimensionale. Acest lucru poate permite studiul dispozitivelor de informare bazate pe rotație care sunt mai eficiente decât metodele utilizate în prezent de computere.

Deoarece simulatoarele cuantice sunt mai ușor de construit și rulat decât calculatoarele cuantice, în prezent putem folosi simulatoare cuantice pentru a rezolva anumite probleme pe care computerele obișnuite nu le pot gestiona, în timp ce așteptăm ca computerele cuantice să devină mai precise. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că simulatoarele cuantice pot fi construite fără provocări, deoarece acum ne apropiem de a fi suficient de buni la manipularea centrilor de spin, formarea cristalelor pure și lucrul la temperaturi scăzute pentru a construi simulatoarele cuantice pe care le propunem.

Universitatea din California, Riverside este o universitate de cercetare doctorală și un laborator viu pentru explorarea problemelor critice din California de Sud, statul și comunitățile din întreaga lume. Reflectând cultura diversă a Californiei, UC Riverside are un număr de peste 26.000 de studenți. Campusul a deschis o școală de medicină în 2013 și se conectează la inima Văii Coachella prin Centrul UCR Palm Desert. Campusul are un impact anual de peste 2,7 miliarde de dolari asupra economiei SUA. Pentru a afla mai multe, vizitați www.ucr.edu.