Systemy obliczeń kwantowych mogą w niektórych zadaniach przewyższać klasyczne komputery, pomagając rozwiązywać złożone problemy świata rzeczywistego w krótszym czasie. Zespoły badawcze na całym świecie próbują więc wykorzystać tę kwantową przewagę nad tradycyjnymi komputerami, tworząc i testując różne systemy kwantowe.

Naukowcy z Uniwersytetu Tsinghua opracowali niedawno nowy programowalny kwantowy procesor fononiczny z uwięzionymi jonami. Ten procesor, przedstawiony w artykule w Fizyka przyrodymogą być łatwiejsze do skalowania w większym rozmiarze niż inne proponowane wcześniej fotoniczne procesory kwantowe, co ostatecznie może umożliwić lepszą wydajność w przypadku złożonych problemów.

„Początkowo byliśmy zainteresowani propozycją Scotta Aaronsona i innych dotyczącą próbkowania bozonu, która może pokazać kwantowe zalety prostej liniowej optyki i fotonów” – powiedział Phys.org Kihwan Kim, jeden z badaczy, którzy przeprowadzili badanie. „Zastanawialiśmy się, czy możliwe jest zrealizowanie tego za pomocą fononów w uwięzionym systemie jonowym”.

Wykorzystanie fononów (tj. fal dźwiękowych lub elementarnych wibracji) do tworzenia kwantowych systemów obliczeniowych było teoretycznie badane przez pewien czas. Jednak w ostatnich latach fizycy stworzyli systemy uwięzionych jonów, stworzyli technologię niezbędną do wykorzystania fononów jako zasobów przetwarzania informacji kwantowej, a nie zwykłych mediatorów do splątania kubitów.

„Wykazano, że fonony o potencjale harmonicznym mogą w spójny sposób przenosić się na inny potencjał harmoniczny, a te fonony mogą interferować ze sobą” – wyjaśnił Kihwan Kim. „Kiedy dowiedzieliśmy się, że zmodyfikowane próbkowanie bozonu (próbkowanie bozonu Gaussa) można również zastosować do problemu chemicznego (tj. próbkowanie wibracyjne), zademonstrowaliśmy próbkowanie SO₂ cząsteczek i opracował metodę tworzenia wysoce splątanego stanu fononicznego; jednak było to ograniczone do pojedynczego jonu. W tej pracy ostatecznie zaimplementowaliśmy sieć fononiczną w skalowalny sposób, pokonując ograniczenia pojedynczych jonów”.

System stworzony przez Kihwana Kima i jego współpracowników to programowalna sieć bozonowa, sieć składająca się z zestawu modów bozonowych, połączonych ze sobą za pomocą sterowanych dzielników wiązki. Zrealizowali tę sieć za pomocą fononów, wzbudzeń zbiorowych modów wibracyjnych, które są również bozonami.

„Nasz system jest skalowalny, ponieważ liczba zbiorowych trybów wibracyjnych rośnie proporcjonalnie do liczby jonów, a my zademonstrowaliśmy, jak korzystać z dodatkowych trybów wibracyjnych i jonów w programowalny sposób” – powiedział Kihwan Kim. „Zasadniczo kontrolujemy tryb wibracyjny za pomocą odpowiednio przypisanego kubitu. Możemy zaprogramować fazę i stosunek każdego rozdzielacza wiązki, kontrolując fazę i czas trwania indywidualnie adresowanych wiązek laserowych”.

Kwantowy procesor fononiczny stworzony przez Kihwana Kima i jego współpracowników ma kilka zalet w stosunku do wcześniej proponowanych sieci bozonowych. Po pierwsze, wejścia i wyjścia fononów w procesorze są deterministycznie przygotowywane i wykrywane. Ponadto utrata fononów w czasie jest minimalna, podczas gdy w innych sieciach bozonowych opartych na fotonach straty są problemem do pokonania.

„Próbkowanie bozonu może być potężnym narzędziem do niektórych zadań w algorytmach kwantowych i symulacjach” – powiedział Phys.org Myungshik Kim, inny badacz z Imperial College zaangażowany w badania. „Chociaż próbkowanie bozonu było w większości realizowane przez fotony, istnieją trudności techniczne w realizacji skalowalnego próbkowania bozonu, ponieważ generowanie pojedynczego fotonu jest probabilistyczne, a utrata fotonów na chipie jest wysoka. W naszej pracy używamy fononów jonów w potencjale harmonicznym zamiast fotony. Wyraźną zaletą tego jest to, że możemy deterministycznie generować stany kwantowe fononów i nie tracić fononów podczas procesu.

Próbkowanie bozonu to model obliczeń kwantowych, który może być bardzo korzystny przy rozwiązywaniu niektórych zadań przy użyciu algorytmów kwantowych lub symulacji. Próbkowanie bozonu jest zwykle realizowane przy użyciu kilku różnych technik.

Kihwan Kim, Myungshik Kim i ich współpracownicy byli w stanie zaimplementować wszystkie te techniki na jednej platformie, co może przynieść znaczące korzyści przy opracowywaniu większych systemów. Osiągnięto to poprzez rekonstrukcję stanów fononów w ich sieci.

W przyszłości utworzona przez nich sieć fononiczna może zostać zwiększona w celu uzyskania programowalnego próbkowania bozonów na dużą skalę. Ponadto ich praca może zainspirować rozwój innych programowalnych sieci kwantowych opartych na fononach i uwięzionych jonach.

„Teraz ważne jest, abyśmy zwiększyli skalę naszego systemu i, miejmy nadzieję, wykorzystali go do zademonstrowania przewagi kwantowej nad klasycznymi komputerami” – dodał Kim. „Jednocześnie możemy również spróbować osiągnąć uniwersalne obliczenia kwantowe o zmiennej ciągłej za pomocą dzielnika wiązki sterowanego kubitem”.