MIT’deki fizikçiler, kuantum deneylerinin doğruluğunu doğrulamak için bir protokol geliştirdiler.
Yakın zamanda yapılan bir gelişme, canlıların tuhaf davranışlarını araştıran deneylerin geçerliliğini doğrulamak için bir yöntem sunuyor. atomik ölçekte sistemler.
Fizik, atomik ölçekte tuhaflaşıyor. Bilim adamları, bu alışılmadık kuantum etkilerini ortaya çıkarmak, kullanmak ve kontrol etmek için çok sayıda atomu düşük sıcaklıklara soğutmayı ve bunları hassas şekilde kalibre edilmiş lazerler ve mıknatıslar kullanarak incelemeyi içeren laboratuvar deneyleri olan kuantum analog simülatörlerinden yararlanıyor.
Bilim adamları, herhangi bir yeni Kuantum simülatörlerinden elde edilen anlayış, yeni egzotik malzemeler, daha akıllı ve daha verimli elektronikler ve pratik kuantum bilgisayarları tasarlamak için planlar sağlayacaktır. Ancak bilim adamlarının kuantum simülatörlerinden içgörü elde etmeleri için önce onlara güvenmeleri gerekir.
Yani, kuantum cihazlarının “yüksek doğrulukta” olduğundan ve kuantum davranışını doğru şekilde yansıttığından emin olmaları gerekir. Örneğin, bir atom sistemi dış gürültüden kolayca etkileniyorsa, araştırmacılar hiçbir şeyin olmadığı yerde bir kuantum etkisi varsayabilirler. Ancak şu ana kadar kuantum analog simülatörlerinin aslına uygunluğunu karakterize etmenin güvenilir bir yolu yoktu.
Yakın zamanda Nature’da yayınlanan bir çalışmada, MIT ve Caltech’ten fizikçiler yeni bir kuantum fenomeni bildirdiler: Bir kuantum fenomeni olduğunu buldular. Atomların kuantum dalgalanmalarında belirli bir rastgelelik ve bu rastgele davranışın evrensel, öngörülebilir bir model sergilediği. Hem rastgele hem de tahmin edilebilir olan bir davranış kulağa bir çelişki gibi gelebilir. Ancak ekip, belirli rastgele dalgalanmaların gerçekten de tahmin edilebilir, istatistiksel bir model izleyebileceğini doğruladı.
Ayrıca, araştırmacılar bu kuantum rastgeleliğini bir kuantum analog simülatörünün aslına uygunluğunu karakterize etmek için bir araç olarak kullandılar. Teori ve deneyler yoluyla, rastgele dalgalanmalarını analiz ederek bir kuantum simülatörünün doğruluğunu belirleyebileceklerini gösterdiler.
Ekip, aşağıdakilere dayalı olarak doğruluklarını ölçmek için mevcut kuantum analog simülatörlerine uygulanabilecek yeni bir kıyaslama protokolü geliştirdi. kuantum dalgalanmalarının kalıpları. Protokol, yeni egzotik materyallerin ve kuantum bilgi işlem sistemlerinin geliştirilmesini hızlandırmaya yardımcı olabilir.
“Bu çalışma, mevcut birçok kuantum cihazının çok yüksek hassasiyetle karakterize edilmesini sağlayacaktır” diyor çalışmanın ortak yazarı Soonwon Choi, yardımcı doçent. MIT’de fizik. “Ayrıca, kaotik kuantum sistemlerindeki rastgeleliğin arkasında daha önce düşündüğümüzden daha derin teorik yapılar olduğunu öne sürüyor.”
Çalışmanın yazarları arasında MIT lisansüstü öğrencisi Daniel Mark ve Urbana’daki Illinois Üniversitesi Caltech’teki ortak çalışanlar yer alıyor. -Champaign, Harvard University ve University of California at Berkeley.
Rasgele evrim
Yeni çalışma, Google’ın 2019’da yaptığı bir ilerlemeyle motive edildi. belirli bir hesaplamayı klasik bir bilgisayardan daha hızlı gerçekleştirebilen “Çınar” olarak adlandırılır.
Klasik bir bilgisayardaki bilgi işlem birimleri, 0 veya 1 olarak var olan “bitler” iken, bilgisayardaki birimler “qubit” olarak bilinen bir kuantum bilgisayar, birden çok durumun üst üste gelmesiyle var olabilir. Birden çok kübit etkileşim kurduğunda, teorik olarak zor sorunları herhangi bir klasik bilgisayardan çok daha kısa sürede çözen özel algoritmalar çalıştırabilirler.
Google araştırmacıları, 53 kübit gibi davranacak bir süper iletken döngüler sistemi tasarladılar ve gösterdiler ki, “bilgisayar”, normalde dünyanın en hızlı süper bilgisayarının bile çözemeyeceği kadar zahmetli olan belirli bir hesaplama yapabilir.
Google ayrıca, sistemin doğruluğunu ölçebileceğini de gösterdi. Tek tek kübitlerin durumunu rastgele değiştirerek ve 53 kübitin tamamının sonuç durumlarını kuantum mekaniği ilkelerinin öngördüğü şeylerle karşılaştırarak, sistemin doğruluğunu ölçebildiler.
Choi ve meslektaşları, kullanıp kullanamayacaklarını merak ettiler. kuantum analog simülatörlerinin doğruluğunu ölçmek için benzer, rastgele bir yaklaşım. Ancak aşmaları gereken bir engel vardı: Google’ın dijital kuantum sisteminden farklı olarak, analog simülatörlerdeki tek tek atomlar ve diğer kübitleri manipüle etmek ve dolayısıyla rastgele kontrol etmek inanılmaz derecede zordur.
Fakat Choi, bazı teorik modelleme yoluyla şunu fark etti: Google’ın sistemindeki kübitleri tek tek manipüle etmenin toplu etkisi, kübitlerin doğal olarak gelişmesine izin verilerek analog bir kuantum simülatöründe yeniden üretilebilir.
“Bu rastgele davranışı tasarlamamız gerekmediğini anladık,” Choi diyor. “İnce ayar yapmadan, kuantum simülatörlerinin doğal dinamiklerinin gelişmesine izin verebiliriz ve sonuç, kaos nedeniyle benzer bir rastgelelik modeline yol açar.”
Güven oluşturmak
Aslında son derece basitleştirilmiş bir örnek, beş kübitlik bir sistem hayal edin. Her kübit, bir ölçüm yapılana kadar aynı anda 0 veya 1 olarak var olabilir, bunun üzerine kübitler bir veya diğer duruma yerleşir. Herhangi bir ölçümde, kübitler 32 farklı kombinasyondan birini alabilir: 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1 vb.
“Bu 32 yapılandırma Choi, insanların istatistiksel fiziğin tahminlerine benzer olması gerektiğine inandıkları belirli bir olasılık dağılımıyla gerçekleşecek” diye açıklıyor. “Ortalama olarak aynı fikirde olduklarını gösteriyoruz, ancak bilmediğimiz evrensel bir rastgelelik sergileyen sapmalar ve dalgalanmalar var. Ve bu rasgelelik, Google’ın yaptığı rasgele işlemleri yürütüyormuşsunuz gibi görünüyor.”
Araştırmacılar, bir kuantum simülatörünün dinamiklerini ve evrensel rasgele dalgalanmalarını tam olarak temsil eden sayısal bir simülasyon geliştirebilselerdi, tahmin edilen sonuçları simülatörün gerçek sonuçlarıyla karşılaştırabilir. İkisi birbirine ne kadar yakınsa kuantum simülatörü o kadar doğru olmalıdır.
Choi, bu fikri test etmek için Caltech’te 25 atomdan oluşan bir kuantum analog simülatörü tasarlayan deneycilerle birlikte çalıştı. Fizikçiler, atomları toplu olarak uyarmak için deneye bir lazer tuttular, ardından kübitlerin doğal olarak etkileşime girmesine ve zaman içinde gelişmesine izin verdi. Her bir kübitin durumunu birden fazla çalıştırmada ölçtüler ve toplamda 10.000 ölçüm topladılar.
Choi ve meslektaşları ayrıca deneyin kuantum dinamiklerini temsil eden sayısal bir model geliştirdiler ve evrenseli tahmin etmek için türettikleri bir denklemi birleştirdiler, ortaya çıkması gereken rastgele dalgalanmalar. Araştırmacılar daha sonra deneysel ölçümlerini modelin tahmin edilen sonuçlarıyla karşılaştırdılar ve çok yakın bir eşleşme gözlemlediler. Choi, “Kuantum cihazlarını karakterize etme yeteneği, giderek daha büyük, daha hassas ve karmaşık kuantum sistemleri oluşturmak için çok temel bir teknik araç oluşturuyor” diyor. “Bizim aracımızla, insanlar güvenilir bir sistemle çalışıp çalışmadıklarını anlayabilirler.”
Referans: “Rastgele durumlar hazırlama ve çok gövdeli kuantum kaosuyla kıyaslama” yazan Joonhee Choi, Adam L. Shaw, Ivaylo S Madjarov, Xin Xie, Ran Finkelstein, Jacob P. Covey, Jordan S. Cotler, Daniel K. Mark, Hsin-Yuan Huang, Anant Kale, Hannes Pichler, Fernando G.S.L. Brandão, Soonwon Choi ve Manuel Endres, 18 Ocak 2023, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-022-05442-1
Çalışma kısmen ABD Ulusal Bilim Vakfı, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı, Ordu Araştırma Ofisi ve Enerji Bakanlığı.