Các nhà vật lý lượng tử tại Đại học Trinity, phối hợp với IBM Dublin, đã mô phỏng thành công hiện tượng siêu khuếch tán trong một hệ thống tương tác các hạt lượng tử trên máy tính lượng tử. Đây là bước đầu tiên hướng tới việc thực hiện các phép tính vận chuyển lượng tử khó trên phần cứng lượng tử. Khi phần cứng tiếp tục được cải tiến, công trình này dự kiến ​​sẽ mang lại những khám phá mới cho vật lý vật chất ngưng tụ và khoa học vật liệu.

Công trình này là một trong những kết quả đầu tiên của Chương trình Học bổng Dự bị Tiến sĩ TCD-IBM, một chương trình được thành lập gần đây trong đó IBM đồng giám sát các nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Trinity đồng thời tuyển dụng các nghiên cứu sinh tiến sĩ làm nhân viên. Bài báo gần đây đã được xuất bản trên tạp chí Nature nổi tiếng NPJ Quantum Information.

IBM là công ty dẫn đầu toàn cầu trong lĩnh vực điện toán lượng tử đầy thú vị. Máy tính lượng tử ban đầu được sử dụng trong nghiên cứu này được tạo thành từ 27 qubit siêu dẫn (qubit là khối xây dựng của logic lượng tử) và được đặt tại phòng thí nghiệm của IBM ở Yorktown Heights, New York và được lập trình từ xa ở Dublin.

Điện toán lượng tử là một trong những công nghệ thú vị nhất hiện có và dự kiến ​​sẽ tiến gần hơn đến các ứng dụng thương mại trong thập kỷ tới. Ngoài các ứng dụng thương mại, máy tính lượng tử có thể giúp giải quyết một số vấn đề cơ bản hấp dẫn. Một nhóm từ Đại học Trinity Dublin và IBM đã giải được một bài toán như vậy liên quan đến mô phỏng lượng tử.

Giáo sư John Goold, giám đốc Liên minh Lượng tử Trinity mới thành lập, người đứng đầu nghiên cứu này, cho biết khi giải thích tầm quan trọng của công trình này và ý tưởng tổng thể của mô phỏng lượng tử

"Nói chung, Mô phỏng động lực học của một hệ lượng tử phức tạp bao gồm nhiều thành phần tương tác là một thách thức khó khăn đối với một máy tính thông thường. qubit trên thiết bị cụ thể này, trạng thái của một hệ thống như vậy được mô tả bằng toán học bởi một đối tượng gọi là hàm sóng, đòi hỏi một số lượng lớn các hệ số được lưu trữ trong bộ nhớ. Nhu cầu về các hệ số này tăng theo cấp số nhân theo số lượng qubit; trong mô phỏng này, cần có khoảng 134 triệu hệ số "

" Khi hệ thống tăng lên 300 bit, số lượng hệ số cần thiết để mô tả một hệ thống như vậy sẽ vượt quá giới hạn cho phép. Nói cách khác, chúng ta đã gặp phải trở ngại khi mô phỏng các hệ lượng tử. Ý tưởng sử dụng các hệ lượng tử để mô phỏng động lực học lượng tử đã có từ thời người đoạt giải Nobel vật lý người Mỹ Richard Feynman, người đã đề xuất rằng các hệ lượng tử được mô phỏng tốt nhất bằng cách sử dụng các hệ lượng tử.

Vậy chính xác thì nhóm nghiên cứu đã mô phỏng điều gì? Giáo sư Goold tiếp tục:

"Một số hệ lượng tử không ba chiều đơn giản nhất là chuỗi spin. Các hệ thống này được tạo thành từ các nam châm nhỏ gọi là spin được kết nối, mô phỏng các vật liệu phức tạp hơn và được sử dụng để hiểu từ tính. Chúng tôi đã nghiên cứu một hệ thống có tên Heisenberg. Các mô hình của chuỗi rất đáng quan tâm và đặc biệt quan tâm đến hành vi lâu dài về cách các kích thích spin được vận chuyển khắp hệ thống. Trong thời gian giam cầm dài này, các hệ lượng tử nhiều vật bước vào chế độ thủy động lực học, với sự vận chuyển được mô tả bằng các phương trình mô tả chất lỏng cổ điển."Chúng tôi quan tâm đến một cơ chế đặc biệt trong đó xảy ra hiện tượng gọi là siêu khuếch tán do cơ chế vật lý cơ bản bị chi phối bởi Phương trình Kardar-Parisi-Zhange. Phương trình này thường mô tả sự tăng trưởng ngẫu nhiên của một bề mặt hoặc bề mặt tiếp xúc, chẳng hạn như độ cao của tuyết tăng lên như thế nào trong một trận bão tuyết, vết bẩn trên cốc cà phê phát triển trên vải theo thời gian như thế nào hoặc ngọn lửa xơ vải phát triển như thế nào. Sự lan truyền này được gọi là vận chuyển siêu khuếch tán. Quá trình truyền này ngày càng nhanh hơn khi kích thước của hệ thống tăng lên. Thật ngạc nhiên là các phương trình chi phối những hiện tượng này cũng xuất hiện trong động lực học lượng tử, đây là thành tựu chính của công trình này. "

Nathan Keenan, cựu học giả tiến sĩ tại IBM-Trinity và là lập trình viên của dự án, cho chúng tôi biết về một số thách thức khi lập trình máy tính lượng tử.

Ông nói: "Vấn đề lớn nhất trong việc lập trình máy tính lượng tử là thực hiện các phép tính hữu ích khi có nhiễu. Các hoạt động được thực hiện ở cấp độ chip không hoàn hảo và máy tính rất nhạy cảm với sự can thiệp từ môi trường phòng thí nghiệm. Vì vậy, luôn có mong muốn rút ngắn thời gian sử dụng hữu ích càng nhiều càng tốt

Juan Bernabé-Moreno, giám đốc IBM Research UK và Ireland, cho biết:

H6

"IBM có lịch sử lâu dài trong việc phát triển công nghệ điện toán lượng tử, mang lại không chỉ nhiều thập kỷ nghiên cứu mà còn cả các chương trình và hệ sinh thái lượng tử thương mại lớn nhất và rộng nhất. Chúng tôi hợp tác với Trinity College Dublin thông qua các chương trình Thạc sĩ và Tiến sĩ về Khoa học và Công nghệ Lượng tử "

Khi thế giới bước vào kỷ nguyên mới của mô phỏng lượng tử, thật yên tâm khi thấy các nhà vật lý lượng tử tại Trinity College Dublin đi đầu - lập trình các thiết bị của tương lai. Mô phỏng lượng tử là trụ cột nghiên cứu cốt lõi của Liên minh Lượng tử Trinity mới thành lập, được thành lập và lãnh đạo bởi Giáo sư John Goold, tổ chức có 5 đối tác công nghiệp sáng lập, bao gồm IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon và Phân tích Moodys.