Решение ранее неразрешимых проблем: новый тип аналогового квантового компьютера

Sep 04, 2023

Автор: UCD Research & Innovation, 10 марта 2023 г.

Аналоговые квантовые компьютеры — это тип квантового компьютера, который для выполнения вычислений использует непрерывные переменные, такие как амплитуда и фаза квантовой волновой функции.

Физики создали новый тип аналогового квантового компьютера, способного решать сложные физические задачи, которые не могут решить самые мощные цифровые суперкомпьютеры.

A groundbreaking study published in Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Команда ученых из Стэнфордского университета в США и Университетского колледжа Дублина (UCD) в Ирландии обнаружила, что новый тип узкоспециализированного аналогового компьютера, оснащенного квантовыми компонентами в своих схемах, может решать сложные задачи квантовой физики. которые раньше были вне досягаемости. Если эти устройства можно будет масштабировать, они смогут дать представление о некоторых наиболее важных нерешенных проблемах физики.

Например, ученые и инженеры уже давно ищут более глубокое понимание сверхпроводимости. В настоящее время сверхпроводящие материалы, подобные тем, которые используются в аппаратах МРТ, высокоскоростных поездах и энергоэффективных сетях электропередачи на большие расстояния, функционируют только при чрезвычайно низких температурах, что затрудняет их более широкое применение. Конечная цель материаловедения — открыть материалы, обладающие сверхпроводимостью при комнатной температуре, что произведет революцию в их использовании во множестве технологий.

Микрофотография нового квантового симулятора, который представляет собой два связанных наноразмерных металло-полупроводниковых компонента, встроенных в электронную схему. Авторы и права: Паус В., Питерс Л., Сюэ К.Л. и др. Квантовое моделирование экзотической квантовой критической точки в схеме Кондо с двухпозиционным зарядом. Нат. Физ. (2023)

Доктор Эндрю Митчелл — директор Центра квантовой инженерии, науки и технологий UCD (C-QuEST), физик-теоретик Школы физики UCD и соавтор статьи. Он сказал: «Некоторые проблемы просто слишком сложны, чтобы их могли решить даже самые быстрые цифровые классические компьютеры. Точное моделирование сложных квантовых материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники, является действительно важным примером – такого рода вычисления выходят далеко за рамки нынешних возможностей, потому что экспоненциального вычислительного времени и требований к памяти, необходимых для моделирования свойств реалистичных моделей.

Доктор Эндрю Митчелл — физик-теоретик из Университетского колледжа Дублина, лауреат премии Ирландского исследовательского совета и директор Центра квантовой инженерии, науки и технологий UCD (C-QuEST). Фото: UCD Media: фото Винсента Хобана.

"However, the technological and engineering advances driving the digital revolution have brought with them the unprecedented ability to control matter at the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"nanoscale. This has enabled us to design specialized analog computers, called ‘Quantum Simulators,’ that solve specific models in quantum physics by leveraging the inherent quantum mechanical properties of its nanoscale components. While we have not yet been able to build an all-purpose programmable quantum computer with sufficient power to solve all of the open problems in physics, what we can now do is build bespoke analog devices with quantum components that can solve specific quantum physics problems."/p>

But to solve quantum physics problems, the devices need to involve quantum components. The new Quantum Simulator architecture involves electronic circuits with nanoscale components whose properties are governed by the laws of quantum mechanics. Importantly, many such components can be fabricated, each one behaving essentially identically to the others. This is crucial for analog simulation of quantum materials, where each of the electronic components in the circuit is a proxy for an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"atom being simulated and behaves like an ‘artificial atom’. Just as different atoms of the same type in a material behave identically, so too must the different electronic components of the analog computer./p>