Manglende symmetri i qubits kan ikke rette fejl i kvanteberegning, kan forklare sag/antimaterie

Et team af kvanteteoretikere, der søgte at helbrede et grundlæggende problem med kvanteglødecomputere - de skal køre i et relativt langsomt tempo for at fungere korrekt - fandt i stedet noget spændende. Mens du undersøger, hvordan kvanteglødgere udfører, når de drives hurtigere end ønsket, teamet opdagede uventet en ny effekt, der muligvis kan forklare ubalanceret fordeling af stof og antimateriale i universet og en ny tilgang til at adskille isotoper.

"Selvom vores opdagelse ikke helbredte udglødningstidsbegrænsningen, det bragte en klasse med nye fysikproblemer, der nu kan studeres med kvanteglødgere uden at kræve, at de er for langsomme, "sagde Nikolai Sinitsyn, en teoretisk fysiker ved Los Alamos National Laboratory. Sinitsyn er forfatter til papiret, der blev offentliggjort 19. februar i Fysisk gennemgangsbreve , med medforfattere Bin Yan og Wojciech Zurek, begge også fra Los Alamos, og Vladimir Chernyak fra Wayne State University.

Væsentligt, dette fund tyder på, hvordan mindst to berømte videnskabelige problemer kan blive løst i fremtiden. Den første er den tilsyneladende asymmetri mellem stof og antimateriale i universet.

"Vi mener, at små ændringer af nyere eksperimenter med kvanteglødning af interagerende qubits fremstillet af ultrakølede atomer på tværs af faseovergange vil være tilstrækkelige til at demonstrere vores effekt, "Sagde Sinitsyn.

Forklarer sagen/uoverensstemmelse mod stof

Både materie og antimateriale stammer fra de energiske ophidselser, der blev frembragt ved universets fødsel. Symmetrien mellem, hvordan stof og antimaterie interagerer, blev brudt, men meget svagt. Det er stadig ikke helt klart, hvordan denne subtile forskel kan føre til den store observerede dominans af stof sammenlignet med antimateriale i den kosmologiske skala.

Den nyopdagede effekt viser, at en sådan asymmetri er fysisk mulig. Det sker, når et stort kvantesystem gennemgår en faseovergang, det er, en meget skarp omlægning af kvantetilstand. Under sådanne omstændigheder, stærke, men symmetriske interaktioner kompenserer hinanden groft. Derefter subtil, dvælende forskelle kan spille den afgørende rolle.

Gør kvanteglødgere langsomt nok

Quantum annealing computere er bygget til at løse komplekse optimeringsproblemer ved at forbinde variabler med kvantetilstande eller qubits. I modsætning til en klassisk computers binære bits, som kun kan være i en tilstand, eller værdi, af 0 eller 1, qubits kan være i en kvantesuperposition af mellemværdier. Det er her alle kvantecomputere får deres fantastiske, hvis det stadig stort set er uudnyttet, beføjelser.

I en kvanteglødecomputer, qubits tilberedes oprindeligt i en simpel lavest energitilstand ved at anvende et stærkt eksternt magnetfelt. Dette felt slukkes derefter langsomt, mens interaktionerne mellem qubitterne langsomt tændes.

"Ideelt set kører en annealer langsomt nok til at køre med minimale fejl, men på grund af dekoherens, man skal køre annealeren hurtigere, "Forklarede Yan. Teamet undersøgte den nye effekt, når annealerne drives med en hurtigere hastighed, hvilket begrænser dem til en begrænset driftstid.

"Ifølge den adiabatiske sætning i kvantemekanik, hvis alle ændringer er meget langsomme, såkaldt adiabatisk langsom, så skal qubits altid forblive i deres laveste energitilstand, "Sagde Sinitsyn." Derfor, når vi endelig måler dem, vi finder den ønskede konfiguration af 0'er og 1'er, der minimerer funktionen af ​​interesse, hvilket ville være umuligt at få med en moderne klassisk computer. "

Hobbled af decoherence

Imidlertid, i øjeblikket tilgængelige kvanteglødgere, ligesom alle kvantecomputere hidtil, er hobbled af deres qubits 'interaktioner med det omgivende miljø, som forårsager dekoherens. Disse interaktioner begrænser qubits rent kvanteopførsel til omkring en milliontedel af et sekund. I den tidsramme, beregninger skal være hurtige - nonadiabatiske - og uønskede energi -excitationer ændrer kvantetilstanden, indføre uundgåelige beregningsfejl.

Kibble-Zurek-teorien, co-udviklet af Wojciech Zurek, forudsiger, at de fleste fejl opstår, når qubitterne støder på en faseovergang, det er, en meget skarp omlægning af deres kollektive kvantetilstand.

For dette papir, teamet studerede en kendt, opløselig model, hvor identiske qubits kun interagerer med deres naboer langs en kæde; modellen verificerer Kibble-Zurek-teorien analytisk. I teoretikernes søgen efter at helbrede begrænset driftstid i kvanteglødecomputere, de øgede kompleksiteten af ​​denne model ved at antage, at qubitsne kunne opdeles i to grupper med identiske interaktioner inden for hver gruppe, men lidt forskellige interaktioner for qubits fra de forskellige grupper.

I en sådan blanding, de opdagede en usædvanlig effekt:En gruppe producerede stadig en stor mængde energi -excitationer under passagen gennem en faseovergang, men den anden gruppe forblev i energiminimum, som om systemet slet ikke oplevede en faseovergang.

"Den model, vi brugte, er meget symmetrisk for at kunne løses, og vi fandt en måde at udvide modellen, bryde denne symmetri og stadig løse den, "Sinitsyn forklarede." Så fandt vi ud af, at Kibble-Zurek-teorien overlevede, men med et twist-halvdelen af ​​qubitsne spredte ikke energi og opførte sig "pænt". Med andre ord, de fastholdt deres grundstater. "

Desværre, den anden halvdel af qubits producerede mange beregningsfejl - således ingen kur hidtil for en passage gennem en faseovergang i kvanteglødecomputere.

En ny måde at adskille isotoper på

Et andet mangeårigt problem, der kan drage fordel af denne effekt, er isotopseparation. For eksempel, naturligt uran skal ofte adskilles i de berigede og udtømte isotoper, så det berigede uran kan bruges til atomkraft eller national sikkerhed. Den nuværende separationsproces er dyr og energikrævende. Den opdagede effekt betyder, at ved at få en blanding af interagerende ultrakolde atomer til at passere dynamisk gennem en kvantefaseovergang, forskellige isotoper kan selektivt exciteres eller ej og derefter adskilles ved hjælp af tilgængelig magnetisk afbøjningsteknik.