Системы квантовых вычислений могут превзойти классические компьютеры в некоторых задачах, помогая решать сложные реальные проблемы в более короткие сроки. Таким образом, исследовательские группы по всему миру пытались реализовать это квантовое преимущество перед традиционными компьютерами, создавая и тестируя различные квантовые системы.

Исследователи из Университета Цинхуа недавно разработали новый программируемый квантовый фононный процессор с захваченными ионами. Этот процессор, представленный в статье в журнале Nature Physics , может быть легче масштабировать по сравнению с другими ранее предложенными фотонно-квантовыми процессорами, что в конечном итоге может обеспечить лучшую производительность при решении сложных задач.

«Изначально нас интересовало предложение Скотта Ааронсона и других о выборке бозонов , которая могла бы показать квантовые преимущества простой линейной оптики и фотонов», — сказал Phys.org Кихван Ким, один из исследователей, проводивших исследование. «Нам было интересно, возможно ли реализовать это с фононами в захваченной ионной системе».

Использование фононов (т. е. звуковых волн или элементарных вибраций) для создания квантовых вычислительных систем некоторое время рассматривалось теоретически. Однако в последние годы физики создали системы с захваченными ионами и создали технологию, необходимую для использования фононов в качестве ресурса обработки квантовой информации , а не просто посредников для запутывания кубитов.

«Было показано, что фононы с гармоническим потенциалом могут когерентно переходить в другой гармонический потенциал, и эти фононы могут мешать друг другу», — объяснил Кихван Ким. «Когда мы узнали, что модифицированная выборка бозонов (выборка гауссовых бозонов) также может быть применена к химической проблеме (т. е. выборке вибраций), мы продемонстрировали выборку молекул SO 2 и разработали метод создания сильно запутанного фононного состояния. был ограничен одним ионом. В этой работе мы, наконец, реализовали фононную сеть масштабируемым способом, преодолевая ограничения отдельных ионов».

Система, созданная Кихваном Кимом и его коллегами, представляет собой программируемую бозонную сеть, состоящую из набора бозонных мод, связанных друг с другом через управляемые светоделители. Они реализовали эту сеть, используя фононы, возбуждения коллективных колебательных мод, которые также являются бозонами.

«Наша система является масштабируемой, потому что количество коллективных колебательных мод пропорционально увеличивается с количеством ионов, и мы продемонстрировали, как программно использовать дополнительные колебательные моды и ионы», — сказал Кихван Ким. «По сути, мы контролируем режим вибрации с помощью правильно назначенного кубита. Мы можем запрограммировать фазу и соотношение каждого светоделителя, контролируя фазу и продолжительность лазерных лучей с индивидуальным адресом».

Фононный квантовый процессор, созданный Кихваном Кимом и его коллегами, имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее предложенными бозонными сетями. Во-первых, вход и выход фононов в процессоре детерминистически подготавливаются и детектируются. Кроме того, потери фононов с течением времени минимальны, в то время как в других бозонных сетях, основанных на потерях фотонов, необходимо решить проблему.

«Выборка бозонов может быть мощным инструментом для определенных задач в квантовых алгоритмах и моделировании», — сказал Phys.org Мёншик Ким, другой исследователь из Имперского колледжа, участвовавший в исследовании. «Хотя выборка бозонов в основном реализуется фотонами, существуют технические трудности в реализации масштабируемой выборки бозонов, потому что генерация одиночных фотонов является вероятностной, а потери фотонов на чипе высоки. В нашей работе мы используем фононы ионов в гармоническом потенциале вместо фотонов. Очевидные преимущества этого заключаются в том, что мы можем детерминистически генерировать квантовые состояния фононов и не терять фононы во время процесса».

Выборка бозонов — это модель квантовых вычислений, которая может быть очень полезной для решения некоторых задач с использованием квантовых алгоритмов или моделирования. Выборка бозонов обычно реализуется с использованием нескольких различных методов.

Кихван Ким, Мёншик Ким и их коллеги смогли реализовать все эти методы на одной платформе, что могло иметь заметные преимущества при разработке более крупных систем. Это было достигнуто за счет реконструкции состояний фононов в их сети.

В будущем созданную ими фононную сеть можно будет масштабировать для достижения крупномасштабной и программируемой выборки бозонов . Кроме того, их работа может вдохновить на разработку других программируемых квантовых сетей на основе фононов и захваченных ионов.

«Теперь для нас важно масштабировать нашу систему и, надеюсь, использовать ее для демонстрации квантового преимущества над классическими вычислениями», — добавил Ким. «В то же время мы также можем попытаться добиться универсальных квантовых вычислений с непрерывной переменной с помощью светоделителя, управляемого кубитами».