Skip to content
Home » De coherente simulatie van een kwantumfaseovergang in een programmeerbare 2.000 qubit Ising-keten

De coherente simulatie van een kwantumfaseovergang in een programmeerbare 2.000 qubit Ising-keten

    De coherente simulatie van een kwantumfaseovergang in een programmeerbare 2.000 qubit Ising-keten
    De coherente simulatie van een kwantumfaseovergang in een programmeerbare 2.000 qubit Ising-keten

    D-Wave kwantumgloeiprocessors gebruiken duizenden supergeleidende fluxqubits op een gelithografeerde chip, opgehangen in een omgeving nabij het absolute nulpunt. Krediet: D-golf.

    Quantumcomputers hebben het potentieel om beter te presteren dan klassieke computers bij verschillende complexe taken, maar er zullen veel uitdagingen moeten worden overwonnen voordat ze hun volledige potentieel bereiken. In de tussentijd hebben natuurkundigen en computerwetenschappers geprobeerd een realistische inschatting te maken van de mogelijkheden die kwantumcomputertechnologieën in de nabije toekomst zullen vertonen.


    Kwantumsimulaties – realisaties van kwantumsystemen die worden gemanifesteerd met behulp van programmeerbare simulatieapparaten – zijn bijzonder waardevol gebleken voor het bepalen van het potentieel op korte termijn van kwantumcomputers. Een benadering die kan worden onderzocht met behulp van kwantumsimulaties is kwantumgloeien, een optimalisatieproces op basis van kunstmatige kwantumfluctuaties.

    Onderzoekers van D-Wave Systems en verschillende instituten in Canada, de VS en Japan hebben onlangs een kwantumfase-overgang gesimuleerd in een programmeerbaar 2.000 qubit 1D quantum Ising-model. Hun resultaten, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in NatuurNatuurkundezou toekomstige inspanningen voor kwantumoptimalisatie en simulatie kunnen informeren.

    “Coherent gloeien is iets dat we al heel lang wilden laten zien”, vertelde Andrew D. King, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. “Eén reden is dat het ons in staat stelt om het gedrag van ons programmeerbare kwantumsysteem te vergelijken met de ideale Schrödinger-dynamiek, wat zowel sterk bewijs levert van kwantum-heid als een maatstaf voor deze kwantum-heid. De 1D-keten is hier perfect voor omdat het een bekende oplossing in gesloten vorm, wat betekent dat we het klassiek kunnen oplossen zonder de kwantumdynamica uitputtend te simuleren – een klassiek onhandelbare taak in het algemeen.”

    De kwantumsimulatie van de 1D Ising-keten is al eerder gedaan door andere onderzoeksteams, waaronder een groep aan de Harvard University. De simulatie die King en zijn collega’s hebben uitgevoerd, is echter de eerste die is uitgevoerd met behulp van een op gloeien gebaseerde kwantumcomputer. Bovendien konden de onderzoekers grotere en sterker gecorreleerde toestanden realiseren dan in het verleden werd aangetoond.

    De coherente simulatie van een kwantumfaseovergang in een programmeerbare 2.000 qubit Ising-keten

    De simulatie begint in een paramagnetische kwantumsuperpositietoestand en doorloopt een kwantumfaseovergang met verschillende snelheden. Naarmate de reactietijd van het systeem toeneemt, worden er “knikken” gevormd tussen tegengestelde domeinen van opwaartse of neerwaartse spins. De dichtheid en afstand van deze knikken vertoont kenmerken van kwantumkritische dynamiek. Credit: NatuurNatuurkunde (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01741-6

    “De belangrijkste variabele hier in ons experiment is de uitgloeitijd, de tijd die de D-Wave-processor nodig heeft om van zijn initiële kwantumsuperpositietoestand naar het klassieke eindpunt van de berekening te gaan”, legde King uit. “Normaal gesproken wordt er een snelheidslimiet van 500 nanoseconden op het systeem geplaatst, om toleranties op het regelcircuit mogelijk te maken. In dit werk gingen we echter 100 keer sneller dan dit.”

    Vanwege de hogere snelheden die hun systeem bereikte, moesten King en zijn collega’s strengere hardwarevereisten toepassen en nieuwe softwaremethoden gebruiken. Hierdoor konden ze uiteindelijk de duizenden qubits in hun systeem perfect synchroniseren.

    De onderzoekers voerden hun simulaties uit met behulp van een zeer programmeerbare processor die is gemaakt bij D-Wave Systems. Om de effectiviteit ervan betrouwbaarder te testen, kozen ze ervoor om een ​​uiterst eenvoudige en goed begrepen kwantumfase-overgang te simuleren.

    “De uitstekende overeenkomst die we zien tussen de experimenten en het ideale kwantummodel zonder milieueffecten is een nieuwe ontwikkeling op het gebied van kwantumgloeien,” zei King. “Het laat ons niet alleen zien dat het systeem duidelijk kwantum is, maar dat we complexere systemen in de kwantumuitgloeier kunnen programmeren en verwachten dat het de echte kwantumdynamica van de Schrödinger-vergelijking volgt, die in het algemeen niet klassiek kan worden gesimuleerd.”

    Over het algemeen ontdekte het team dat hun simulaties waren afgestemd op voorspellingen van de kwantumtheorie. In de toekomst zou hun werk nieuwe en opwindende mogelijkheden kunnen openen voor de studie van verschillende kwantumfaseovergangen. In hun volgende werk willen King en zijn collega’s programmeerbare D-Wave-processors gebruiken om meer exotische kwantumfase-overgangen te simuleren, die niet kunnen worden gesimuleerd met klassieke computers.

    “De meeste mensen willen kwantumgloeien gebruiken voor kwantumsimulatie, wat we hier hebben gedaan, of voor optimalisatie,” voegde King eraan toe. “Het leerboek kwantumfaseovergang dat we in dit werk hebben bestudeerd, is slechts indirect van toepassing op optimalisatie, dus het is belangrijk om deze twee gebieden met elkaar te verbinden. We weten al dat kwantumgloeiers optimalisatieproblemen heel snel kunnen oplossen. Onze volgende taak zal zijn om dit te bestuderen succes met behulp van coherent gloeien, om in detail de rol van kwantumkritische dynamiek in de optimalisatie van kwantumgloeien uit te leggen.”


    Quantum-annealing kan in een beperkt aantal gevallen klassiek computergebruik verslaan


    Informatie:
    Andrew D. King et al, Coherente kwantumgloeien in een programmeerbare 2.000 qubit Ising-keten, NatuurNatuurkunde (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01741-6

    Jacek Dziarmaga, Dynamics of a Quantum Phase Transition: Exacte oplossing van het Quantum Ising-model, Fysieke beoordelingsbrieven (2005). DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.245701

    Alexander Keesling et al, Quantum Kibble-Zurek-mechanisme en kritische dynamiek op een programmeerbare Rydberg-simulator, Natuur (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1070-1

    © 2022 Science X Network

    citaten: De coherente simulatie van een kwantumfaseovergang in een programmeerbare 2.000 qubit Ising-keten (2022, 10 oktober) opgehaald op 10 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-coherent-simulation-quantum-phase-transition .html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.