Nhận ra pha lỏng spin lượng tử trên một bộ mô phỏng Hamilton Rydberg tương tự

272

Tuần này tại re:Invent, chúng tôi đã thông báo về tính khả dụng trong tương lai của máy tính lượng tử dựa trên nguyên tử Rydberg từ QuEra Computing . Ra mắt vào năm 2022, nó sẽ giới thiệu một mô hình điện toán lượng tử mới cho Amazon Braket, Mô phỏng Hamilton tương tự (AHS).

AHS sử dụng các thiết bị lượng tử có thể lập trình để mô phỏng hoạt động của các hệ thống cơ lượng tử khác. Ngày nay, các nhà nghiên cứu trong học viện đang sử dụng những thiết bị có mục đích đặc biệt như vậy để nghiên cứu các hiện tượng cơ lượng tử và các mô hình vật lý cơ bản mà nếu không thì khó có thể mô phỏng trên máy tính cổ điển. Trong bài đăng này, chúng tôi giới thiệu với bạn mô hình điện toán lượng tử AHS và loại khối lượng công việc bạn sẽ có thể chạy trên thiết bị QuEra trên Amazon Braket. Để minh họa tiềm năng của công nghệ này, chúng tôi đi sâu vào một bài báo được xuất bản trên tạp chí Khoa học. Trong thử nghiệm do các nhà nghiên cứu tại Harvard, MIT, QuEra Computing và Đại học Innsbruck thực hiện và với sự hỗ trợ của AWS, một thiết bị AHS nguyên tử Rydberg được sử dụng để chuẩn bị và nghiên cứu các đặc tính của một giai đoạn lượng tử kỳ lạ của vật chất, một cấu trúc liên kết chất lỏng quay. Công trình này tạo nên sự xác minh thực nghiệm đầu tiên về hiệu ứng lượng tử này, mở rộng nghiên cứu lý thuyết kéo dài hàng thập kỷ về chất lỏng spin lượng tử [để xem xét chi tiết, xem Sở thú về các pha tôpô lượng tử của vật chất ].

Một kiểu tính toán lượng tử mới

Điện toán lượng tử là một công nghệ mới ra đời với nhiều khía cạnh. Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới, bao gồm cả các nhóm của chúng tôi tại Trung tâm Máy tính Lượng tử AWS , đang theo đuổi mục tiêu xây dựng một máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi để khai thác toàn bộ tiềm năng của công nghệ này. Mặt khác, khách hàng đang sử dụng Amazon Braket, dịch vụ điện toán lượng tử của AWS, để khám phá các ứng dụng ngắn hạn của điện toán lượng tử trong hóa học , tối ưu hóa và học máytrên thế hệ thiết bị Lượng tử quy mô trung gian ồn ào (NISQ) hiện tại. Trong khi cuộc săn lùng các thiết bị sửa lỗi và các ứng dụng đầu tiên trong ngành vẫn tiếp tục, một loại thiết bị tính toán lượng tử khác đang bắt đầu được sử dụng trong học viện để khám phá khoa học.

Vào cuối những năm 2000, các nhà nghiên cứu quang học lượng tử đã phát minh và chế tạo những chiếc kính hiển vi khí lượng tử đầu tiên ; một loại thiết bị thử nghiệm mới cho phép mô phỏng vật lý các hệ thống nhiều cơ thể có tương quan chặt chẽ. Do các tương quan lượng tử trong các hệ thống này, rất khó để đưa ra các dự đoán lý thuyết hoặc số về các thuộc tính hoặc hành vi của chúng. Thay vì sử dụng các thuật toán số để nghiên cứu các mô hình toán học cơ bản, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một thiết lập nhân tạo trong đó các nguyên tử riêng lẻ chuyển động theo một thế tuần hoàn, bắt chước các electron trong một vật liệu ở trạng thái rắn. Với việc điều chỉnh cẩn thận các thông số thử nghiệm, họ đã tái tạo các điều kiện được mô tả bởi mô hình Hubbard, ngoại trừ ở quy mô lớn hơn và tốc độ chậm hơn nhiều so với trong một tài liệu thực tế. Bằng cách truyền động lực học theo các bậc lớn hơn về không gian và thời gian, các nhà khoa học có thể quan sát trực tiếp sự tương quan không gian và sự tiến hóa thời gian để hiểu được các hiệu ứng vật lý cơ bản chi phối hành vi của các electron trong một số vật liệu nhất định, chẳng hạn như hợp kim siêu dẫn. Dữ liệu do kính hiển vi khí lượng tử tạo ra đã cung cấp bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại và bản chất của các pha vật chất được dự đoán bởi mô hình Hubbard.

Kể từ những ý tưởng ban đầu này, các mô phỏng Hamilton tương tự như vậy đã được đề xuất và hiện thực hóa trên một số nền tảng vật lý ngày càng tăng, bao gồm các ion bị mắc kẹt , nguyên tử Rydberg với các chế độ khoang riêng lẻ và các qubit siêu dẫn .

Mặc dù các cách triển khai khác nhau, nhưng ý tưởng cơ bản là giống nhau: Đầu tiên, bạn xây dựng một hệ thống có mức độ kiểm soát cao đối với các thành phần riêng lẻ của hệ thống (ví dụ: các nguyên tử riêng lẻ) và các tương tác lẫn nhau của chúng. Sau đó, bạn điều chỉnh các thông số hệ thống của mình theo cách mà tiến trình thời gian của hệ thống của bạn, được điều chỉnh bởi cái gọi là Hamilton, bắt chước hành vi của một hệ thống quan tâm. Cuối cùng, sau khi hệ thống phát triển trong một khoảng thời gian, bạn thực hiện các phép đo để tìm hiểu về các hiện tượng lượng tử vốn có trong hệ thống. Bởi vì bạn đang nghiên cứu những hiệu ứng này trong hệ thống được thiết kế, bạn có thể kiểm soát tốt hơn các thông số để thăm dò hành vi trong các chế độ khác nhau. Điều này cho phép bạn quan sát các hiệu ứng cơ lượng tử ở cấp độ của các thành phần riêng lẻ để hiểu các nguyên tắc vật lý cơ bản một cách chi tiết.

Trong khi thiết bị AHS có thể lập trình đầy đủ có sức mạnh tính toán tương tự như một máy tính lượng tử kỹ thuật số, các thiết bị AHS ngày nay đánh đổi khả năng lập trình để lấy kích thước lượng tử hữu ích cho một tập hợp con các vấn đề cụ thể. Điều này là để tránh chi phí luôn được đưa vào bởi các phương pháp kỹ thuật số thông qua nhu cầu chia nhỏ một vấn đề tùy ý thành các bộ cổng được thiết bị hỗ trợ. Điều này làm cho các thiết bị AHS trở thành ứng cử viên xuất sắc cho lần đầu tiên chứng minh lợi thế lượng tử hữu ích . Cách tiếp cận này chính xác theo tinh thần của ý tưởng ban đầu của Feynman về tính toán lượng tử, như đã được công bố gần 40 năm trước:

“Tự nhiên không phải là cổ điển […] và nếu bạn muốn tạo ra một mô phỏng của Tự nhiên, tốt hơn bạn nên làm cho nó cơ học lượng tử, và thật buồn cười đó là một vấn đề tuyệt vời vì nó trông không dễ dàng như vậy. […] Tôi muốn nói về khả năng có được một chính xác mô phỏng, rằng máy tính sẽ làm chính xác giống như thiên nhiên.” (nhấn mạnh trong bản gốc) – Richard P. Feynman, Tạp chí Vật lý Lý thuyết Quốc tế, Tập 21, Số 6/7, 1982

Mô phỏng lượng tử tương tự với nguyên tử Rydberg

Một nền tảng đặc biệt linh hoạt cho loại tính toán lượng tử này dựa trên các nguyên tử Rydberg. Theo cách tiếp cận này, các nguyên tử kiềm hoặc kiềm thổ bị mắc kẹt trong một dãy ánh sáng laze. Laser được điều chỉnh để giảm năng lượng trạng thái cơ bản của các nguyên tử, thu hút các nguyên tử riêng lẻ đến các điểm cường độ cao của trường laser. Điều này cho phép sắp xếp các nguyên tử trong các cấu hình không gian 2 hoặc 3 chiều có thể tùy chỉnh (xem Hình 1). Sử dụng một tia laser bổ sung để kích thích các electron ngoài cùng của các nguyên tử này đến các trạng thái có tương tác tầm xa (gọi là trạng thái Rydberg), người ta có thể bật và tắt tương tác giữa các nguyên tử. Bằng cách điều chỉnh cấu hình không gian, các kiểu tương tác và các thông số hệ thống khác, hệ thống Rydberg có thể triển khai nhiều loại Hamiltonians khác nhau. Trong những năm qua, chúng đã được đề xuất để mô phỏng các hiệu ứng cơ lượng tử trong các lĩnh vực từ vật lý vật chất ngưng tụ , vật lý năng lượng cao , động lực học lượng tử , đến lực hấp dẫn lượng tử .

Nghiên cứu chất lỏng spin lượng tử bằng thiết bị Rydberg AHS

Trong công trình gần đây nhất của Semeghini và cộng sự, được công bố trên tạp chí Science , nhóm các nhà nghiên cứu đa quốc gia đã chỉ ra cách một thiết bị Rydberg AHS có thể được sử dụng để chuẩn bị và nghiên cứu một giai đoạn lượng tử kỳ lạ của vật chất, cụ thể là một chất lỏng spin lượng tử.

Chất lỏng spin lượng tử đã được mô tả về mặt lý thuyết từ nhiều thập kỷ trước với các đặc tính hấp dẫn như vướng víu tầm xa và các trạng thái được bảo vệ có thể được sử dụng để xử lý thông tin lượng tử. Mặc dù được dự đoán về mặt lý thuyết, nhưng việc quan sát thực nghiệm về giai đoạn này của vật chất vẫn còn là điều khó nắm bắt. Thí nghiệm được mô tả trong bài báo là quan sát thực nghiệm đầu tiên về hiệu ứng lượng tử này, làm nổi bật tiềm năng khám phá khoa học của nền tảng Rydberg. Để hiểu chất lỏng spin là gì, sẽ hữu ích khi bắt đầu với một cặp spin có tương tác phản sắt từ. Để giảm thiểu năng lượng tương tác, các spin sẽ chống căn chỉnh, tạo ra cái gọi là trạng thái đơn, là sự chồng chất của một spin hướng lên và spin kia hướng xuống. Nếu vòng quay thứ ba được thêm vào,sự thất vọng . Khi nhiều vòng quay trên một mặt phẳng tương tác với các nước láng giềng của chúng theo cách gây ra sự thất vọng trong toàn bộ hệ thống, chẳng hạn như trong mạng lưới Kagome cạnh , một hiện tượng tò mò có thể xuất hiện. Trong toàn bộ quần thể, các spin kết hợp với các con lân cận sao cho mọi con quay đều là một phần của một cặp đơn (xem Hình 2). Trạng thái cơ bản của hệ, được gọi là chất lỏng spin lượng tử, là sự chồng chất của tất cả các trạng thái thỏa mãn điều kiện này.

Không giống như nhiều pha lượng tử khác của vật chất được đặc trưng bởi thứ tự của các thành phần của nó, tương tự như cấu trúc tinh thể trong chất rắn, chất lỏng spin lượng tử không có trật tự tầm xa như vậy. Trong chất lỏng spin, không có mối tương quan cục bộ rõ ràng giữa các spin ngoài việc ghép đôi đơn, nhưng có một trật tự toàn cục nổi lên đặc trưng cho toàn bộ hệ thống. Trật tự toàn cục không có các đặc trưng cục bộ, được gọi là trật tự tôpô , là một đặc điểm hấp dẫn cho phép lưu trữ thông tin không thể thay đổi bằng cách thực hiện các thay đổi cục bộ nhỏ. Vì lý do này, việc sử dụng toàn bộ hệ thống như một qubit ngăn chặn các lỗi cục bộ, chẳng hạn như lật trạng thái của một trong các nguyên tử, khỏi việc sửa đổi thông tin được lưu trữ (xem Hình 3).

Các nhà nghiên cứu từ Harvard, MIT, QuEra Computing Inc. và Đại học Innsbruck đã sử dụng thiết bị Rydberg AHS có thể lập trình để tạo và thăm dò chất lỏng spin lượng tử. Với mục đích này, họ đã sử dụng các nguyên tử trung tính được kiểm soát riêng đặt trên các cạnh của mạng Kagome. Nguyên tử Rydberg có đặc tính là khi một trong các nguyên tử ở trạng thái Rydberg, không nguyên tử nào khác gần đó có thể đồng thời ở trạng thái Rydberg, do cái gọi là cơ chế phong tỏa Rydberg. Kích thước của bán kính phong tỏa bao gồm sáu nguyên tử gần nhất, sao cho mọi đỉnh của mạng tinh thể Kagome được kết nối với đúng một nguyên tử Rydberg. Số lượng cấu hình thỏa mãn điều kiện này đang tăng lên theo cấp số nhân với kích thước hệ thống và tương ứng với việc ghép nối các spin lân cận thành các singlet trên mạng Kagome.
Semeghini và các cộng sự của cô ấy cho thấy sự chuẩn bị của một trạng thái phù hợp với các cấu hình khác nhau của mỗi đỉnh được ghép nối với một kích thích Rydberg gần đó. Kết hợp các phép đo ở các cơ sở khác nhau và sử dụng toán tử chuỗi tôpô để loại trừ các pha tầm thường về mặt tôpô khác, họ đã tìm thấy một vùng tham số mà ở đó tất cả các ký hiệu đều trỏ đến sự chồng chất nhất quán của các cấu hình như vậy, phù hợp với chất lỏng spin lượng tử. Hơn nữa, bằng cách tạo ra một lỗ ở trung tâm của hệ thống, họ đã sửa đổi cấu trúc liên kết cơ bản và cho thấy sự xuất hiện của hai lĩnh vực cấu trúc liên kết. Thông tin được lưu trữ trên hai lĩnh vực này sẽ được bảo vệ khỏi các nhiễu cục bộ do trật tự toàn cầu của pha lỏng spin.

Phần kết luận

Điện toán lượng tử là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng với nhiều công nghệ và cách tiếp cận khác nhau. Trong bài đăng trên blog này, chúng tôi đã giới thiệu cho bạn khái niệm về mô phỏng Hamilton tương tự, một mô hình tính toán lượng tử sử dụng các thiết bị có thể lập trình để mô phỏng trực tiếp các hệ thống vật lý mà bạn quan tâm. Ngày nay, các nhà nghiên cứu đang sử dụng các thiết bị như vậy để nghiên cứu các hiện tượng lượng tử mà nếu không, khó có thể mô phỏng trên các máy tính cổ điển. Bài báo gần đâybởi Semeghini và cộng sự. minh họa điểm này. Sử dụng thiết bị Rydberg có thể lập trình, lần đầu tiên, các tác giả đã nhận ra pha lỏng spin lượng tử và phân tích các đặc tính của nó bằng thực nghiệm, minh chứng cho loại khám phá khoa học được kích hoạt bằng mô phỏng Hamilton tương tự. Chúng tôi rất vui mừng được sớm đưa công nghệ này đến với khách hàng của Amazon Braket, khi chúng tôi ra mắt thiết bị QuEra vào năm 2022. Mục tiêu của chúng tôi là đưa AHS ra khỏi phòng thí nghiệm và đến tay các nhà khoa học trên toàn thế giới, để đẩy nhanh nghiên cứu về các câu hỏi quan trọng sẽ nâng cao hiểu biết về lĩnh vực vật lý lượng tử hấp dẫn và mạnh mẽ.

Theo Amazon.