Ny model hjælper med at beskrive defekter og fejl i kvantecomputere

En sommerpraktik i Bilbao, Spanien, har ført til en artikel i journalen Fysisk gennemgangsbreve til Jack Mayo, en kandidatstuderende ved universitetet i Groningen, Holland. Han har været med til at skabe en universel model, der kan forudsige talfordelingen af ​​topologiske defekter i ikke-ligevægtssystemer. Resultaterne kan anvendes til kvanteberegning og til studier af oprindelsen af ​​struktur i det tidlige univers.

Mayo, studerende på Top Master Program i Nanoscience ved Zernike Institute for Advanced Materials ved University of Groningen, tilbragte sin sommerferie i 2019 på den baskiske kyst fordybet i teoretisk fysik. Projektet, som han deltog i, fandt sted i forskningsgruppen ledet af professor Adolfo del Campo ved Donostia International Physics Center (DIPC), og var rettet mod at løse et problem inden for kvanteberegning - men det har meget bredere implikationer, fra nanoskala magneter til kosmos. I alle disse systemer, ordens begyndelse (f.eks. orden induceret af afkøling) er næsten altid ledsaget af udvikling af defekter. "Tag et system, hvor partikler har et magnetisk moment, der kan vende mellem op og ned, Mayo forklarer. "Hvis du øger deres attraktive interaktion, de vil begynde at tilpasse sig hinanden."

Iskrystaller

Denne justering vil begynde på visse ukorrelerede punkter i et medium og derefter vokse - som iskrystaller i vand. Justeringen af ​​hvert domæne (op eller ned i eksemplet med de magnetiske momenter) er et spørgsmål om tilfældigheder. "Lokale tilpasninger vil vokse udad og på et bestemt tidspunkt, domæner vil begynde at mødes og interagere, " siger Mayo. F.eks. hvis et up-domæne møder et down-domæne, resultatet vil være en domænevæg ved deres grænseflade - en symmetri-brydende defekt i den ordnede struktur, efterlader en artefakt af materialet i dets højere symmetrifase.

Denne udglødning af et medium er beskrevet af Kibble-Zurek-mekanismen, oprindeligt designet til at forklare, hvordan en faseovergang resulterede i ordnede strukturer i det tidlige univers. Det blev efterfølgende opdaget, at det kunne bruges til at beskrive overgangen af ​​flydende helium fra en væske til en superflydende fase. "Mekanismen er universel og bruges også i kvanteberegning baseret på kvanteudglødning, " forklarer Mayo. Denne teknologi er allerede på markedet og er i stand til at løse komplekse gåder som f.eks. problemet med rejsende sælger. et problem med denne type arbejde er, at defekter, der opstår under udglødningsprocessen, vil forvrænge resultaterne.

Faseovergange

Antallet af defekter, der viser sig i kvanteudglødning, afhænger af den tid, det tager at passere faseovergangen. "Hvis du har millioner af år til langsomt at ændre interaktionerne mellem enheder, du får ikke defekter, men det er ikke særlig praktisk, Mayo bemærker. Tricket ligger i at designe endelige tids- og derfor mere praktiske tidsplaner for at opnå et acceptabelt antal defekter med høj sandsynlighed. Forskningsprojektet, hvori han deltog, havde til formål at skabe en model, der kunne estimere antallet af defekter og guide det optimale design af disse systemer.

Statistisk model

At gøre dette, fysikerne brugte teoretiske værktøjer til at beskrive faseovergange og numeriske simuleringer til at estimere defektfordelingen under afkøling. Da hvert domæne kan have en af ​​to værdier (op eller ned i eksemplet med magnetiske momenter), de kunne estimere chancerne for, at to modsatte domæner mødes og skaber en defekt. Dette førte til en statistisk model baseret på binomial fordeling, som kunne bruges til at forudsige, hvordan et system skal køles for at skabe det mindste antal defekter. Modellen blev verificeret mod uafhængige numeriske simuleringer og så ud til at fungere godt. Denne nye model blev beskrevet i et papir, der blev offentliggjort den 17. juni i Fysisk gennemgangsbreve og blev ledsaget af et "Viewpoint" offentliggjort i Physics, en kommentar til resultaterne af den uafhængige fysiker professor Smitha Vishveshwara fra University of Illinois i Urbana-Champaign.