Simulatorët kuantikë krijojnë një fazë krejtësisht të re të materies

Kompjuterët kuantikë, parashikojnë entuziastët, një ditë nuk do të bëjnë mrekulli – nga thyerja e enkriptimeve dixhitale deri te dizajnimi i barnave të mrekullueshme. Megjithatë, në këtë fazë të hershme, përparësia e shumë algoritmeve kuantike mbetet spekulative. Dhe disa studiues pyesin veten nëse kontrolli i nevojshëm në nivelin nënatomik është madje i mundur. “Është një objektiv shumë i frikshëm,” tha Markus Greiner, një fizikant në Universitetin e Harvardit.

Megjithatë, edhe pa kompjuterë kuantikë të plotë, fizikanët po përdorin lloje të lidhura, më të specializuara të makinave – simulatorët kuantikë – për të realizuar një nga qëllimet fillestare të fushës: të imitojnë sjelljen bizantine të sistemeve kuantike.

Siç tha Richard Feynman në një leksion të vitit 1981, “Natyra nuk është klasike, dreq, dhe nëse doni të bëni një simulim të natyrës, më mirë ta bëni atë mekanike kuantike”.

Gjatë viteve të fundit, grupet në Paris dhe Kembrixh, Massachusetts, kanë bërë përparim të madh për këtë qëllim duke përdorur një lloj simulatori kuantik me kali të errët. Ata kanë bërë një seri simulimesh që do të duheshin muaj ose më shumë për t’u përsëritur në një kompjuter klasik.

“Ata kanë eksploruar disa nga kufijtë e fizikës,” tha Ivan Deutsch, një pionier i teknologjisë, aktualisht në Universitetin e New Mexico.

Sot grupi i Kembrixhit zbuloi zbulimin e tyre më të rëndësishëm deri më tani: zbulimin e një gjendjeje të pakapshme të materies të njohur si një lëng kuantik spin, i cili ekziston jashtë paradigmës shekullore që përshkruan mënyrat në të cilat materia mund të organizohet. Ai konfirmon një teori gati 50-vjeçare që parashikon gjendjen ekzotike. Ai shënon gjithashtu një hap drejt ëndrrës së ndërtimit të një kompjuteri kuantik universal të vërtetë të dobishëm.

“Nëse marr të gjithë historinë e eksperimenteve atomike ultra të ftohta, ndoshta ishte një nga eksperimentet më mbresëlënëse dhe novator në këtë fushë,” tha Ehud Altman, një teoricien i lëndës së kondensuar në Universitetin e Kalifornisë, Berkeley.

Puna e re përdor një qasje të re për llogaritjen kuantike të bazuar në atomet neutrale. Megjithëse metoda ka mbetur prapa teknologjive më të njohura të llogaritjes kuantike, si qarqet superpërcjellëse ose jonet e bllokuara, atomet neutrale kanë veti të veçanta që kanë kapur prej kohësh imagjinatën e inxhinierëve kuantikë.

Çelësi për ndërtimin e një kompjuteri kuantik është mbledhja e një koleksioni kubitësh – objekte kuantike të ngjashme me bitet klasike – që plotësojnë dy kërkesa kontradiktore. Kubitët duhet së pari të izolohen nga bota e jashtme, përndryshe dridhjet dhe nxehtësia do të shkatërrojnë mojo-n e tyre kuantike. Megjithatë, ato duhet të jenë njëkohësisht të arritshme dhe të manipulueshme.

Atomet neutrale i balancojnë këto kërkesa veçanërisht mirë, thonë përkrahësit. Rrezet lazer mund të kapin dhe lëvizin atomet si një rreze traktori, duke i mbrojtur ata nga ndërhyrjet e jashtme. Një puls shtesë lazer mund t’i fryjë atomet në një gjendje “Rydberg” të madhe, të ngjashme me rrokullisjen në një bit klasik. Në mënyrë kritike, këto kubita të atomit neutral mund të supozojnë “superpozicione” të të qenit të mëdhenj dhe të vegjël menjëherë dhe gjithashtu mund të lidhen me njëri-tjetrin nga distanca përmes “ngatërrimit” – dy përbërësit thelbësorë për llogaritjen kuantike.

Studiuesit kanë zgjatur kontrollin e tyre mbi atomet neutrale për dy dekada. Grupet pioniere kapën atome të vetme me “piskatore” lazer në vitin 2001, më pas ngatërruan çifte atomesh në 2010. Një zbulim i madh erdhi në vitin 2016, kur grupet në Kembrixh dhe Paris përpunuan se si të grindeshin një luzmë prej dhjetëra atomesh. Makinat e gjeneratës së ardhshme kanë arritur shifra treshifrore, duke i bërë kompjuterët e mundshëm simulatorë të fuqishëm të fenomeneve kuantike.

“Po flasim për 256 kubit kundrejt 100 ose 50 kubit,” tha Deutsch. “Kjo me të vërtetë ka rëndësi.”

Studiuesit kanë përdorur këto rrjete atomesh neutrale për të hetuar fazat e materies kuantike. Këto janë si fazat e njohura të lëngshme dhe të ngurtë, por me konfigurime më ekzotike dhe të ndërlikuara të mundësuara duke hedhur mbivendosje dhe ngatërrim në përzierje. Eksplorimi i fazave kuantike është një kërkim themelor, por ai gjithashtu mund të ketë aplikime praktike, të tilla si të kuptuarit e asaj që shkakton superpërçueshmërinë në temperaturë të lartë.

Fizikanët e lëndës së kondensuar studiojnë faza të tilla duke përdorur kristalet që gjenden në natyrë dhe çfarë mund të rriten në laboratorët e tyre. Por studiuesit e atomeve neutrale mund të “programojnë” në mënyrë fleksibël lëndën e tyre, duke i pozicionuar saktësisht atomet në rrjeta të çdo forme dhe duke inxhinieruar ndërveprimet atomike të porositura përmes manipulimit të gjendjeve të Rydberg.

“Në thelb,” tha Mikhail Lukin, një udhëheqës i grupit të Kembrixhit, “ne montojmë një kristal artificial”.

Këtë verë, të dy grupet e Kembrixhit dhe të Parisit simuluan një teori teksti të magnetizmit – modelin kuantik Ising – për vargje prej 256 dhe 196 atomesh, respektivisht, dhe matën saktësisht se si rriten dhe tkurren xhepat e magnetizmit me ndryshimin e temperaturës për herë të parë. Simulimet do të kishin marrë muaj për t’u bërë në një kompjuter klasik. “Aparati eksperimental është në një fazë ku përpjekja për të simuluar gjë bëhet jopraktike,” tha Thierry Lahaye, një fizikant që punon me grupin e Parisit. Të dy ekipet përshkruan simulimet e tyre kuantike Ising në Natyrë në korrik.

Tani bashkëpunimi i Kembrixhit, i përbërë nga ekipi i Lukinit në Harvard, laboratori i Greiner në Harvard dhe grupi i Vladan Vuletić në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts, ka përdorur simulatorin e tyre kuantik për të hetuar një fazë të kërkuar prej kohësh të materies.

Në vitin 1973, Philip Anderson, një pionier i lëndës së kondensuar dhe fitues eventual i Nobelit, parashikoi se lënda mund të hynte në një gjendje të çuditshme të quajtur një lëng kuantik spin. Shumë atome kanë një veti kuantike të njohur si “spin”, e cila përcakton një drejtim. Rrotullimet ndërveprojnë në mënyrë magnetike, gjë që mund t’i bëjë ato të priren të drejtohen në drejtime të kundërta, veçanërisht në temperatura të ulëta. Por nëse tre atome janë të vendosur në një trekëndësh, vetëm dy nga të tre mund të tregojnë drejtime të kundërta. Prandaj, një rrjetë atomesh në formë trekëndëshi nuk mund të “ngrijë” në një model të rregullt rrotullimesh. Edhe në zero absolute, rrotullimet vazhdojnë të luhaten, analoge me mënyrën se si atomet zbehen në një lëng.

Lëngjet kuantike spin përjetojnë shumë ngatërrim. Kjo veçori çon në rendin “topologjik”, sepse grimcat individuale mund të kuptojnë topologjinë e përgjithshme të sistemit – ose gjeometrinë. Hapni një vrimë në një kub akulli dhe ai qëndron i ngrirë, por hiqni atomet në qendër të një lëngu me rrotullim kuantik dhe vetitë e sistemit mund të ndryshojnë. Kjo i vendos lëngjet e rrotullimit kuantik në një klasë të re të materies.

Grupe të ndryshme kanë parë shenja indirekte të lëngjeve kuantike spin, të tilla si minerali Herbertsmithite, i cili ka një strukturë kristalore veçanërisht zhgënjyese për atomet. Por është pothuajse e pamundur të konfirmohet drejtpërdrejt statusi i një materiali si një lëng rrotullues kuantik, sepse ngatërrimi i tij përcaktues dhe rendi topologjik përkatës nuk mund të maten në një pikë.

Grupi i Kembrixhit përdori simulatorin kuantik për të marrë një pamje nga syri i shpendëve. Ata fillimisht i programuan atomet e tyre neutrale që të vepronin si atomet në Herbertsmithite, me gjendjen e Rydberg-ut të ndezur-off që qëndronte për rrotullim. Më pas ata matën gjendjet e Rydberg-ut nëpër sythe dhe vargje atomesh për të marrë vëzhgime jolokale që përfshijnë ngatërrim. Rezultati është matja e parë e drejtpërdrejtë e rendit topologjik të një lëngu kuantik spin.

“Gjëja e mahnitshme është se duket shumë bindëse,” tha Altman, i cili nuk ishte i përfshirë.

Zbulimi i parë i qartë i një faze të renditur topologjikisht të materies – efekti i sallës kuantike të pjesshme – fitoi një çmim Nobel në 1998. Tani simulatorët kuantikë po u japin studiuesve kontrollin e nevojshëm për të zbërthyer tërësisht një shembull të dytë.

“Ky hetim i lëngjeve të rrotullimit kuantik – sipas mendimit tim, është një moment shumë i veçantë,” tha Lukin.

Simulatorët kuantikë mund të rezultojnë të dobishëm për një numër problemesh praktike dhe të dy grupet neutrale atomike kanë nisur biznese spinoff: Pasqal për ekipin e Parisit dhe QuEra Computing në Kembrixh, i cili në fillim të këtij muaji njoftoi se kishte mbledhur 17 milionë dollarë nga investitorët, përfshirë japonezët. gjiganti i komunikimeve dhe tregtisë elektronike Rakuten.

Në afat të gjatë, kompanitë shpresojnë t’i kthejnë simulatorët e tyre në kompjuterë kuantikë universalë të aftë për të trajtuar çdo llogaritje kuantike. Kjo do të kërkonte kontroll të plotë mbi atomet individuale për t’i përdorur ato si kubit të plotë. Ndonëse nuk janë aq të pjekur në këtë drejtim sa kompjuterët kuantikë superpërcjellës nga Google dhe IBM – të cilët së fundmi njoftuan një procesor kuantik universal 127 kubit – atomet neutrale mund të arrijnë ende. “Ndonjëherë filloj të bëhem skeptik,” tha Greiner. “Pastaj në të njëjtën kohë shikoj në laboratorin tonë dhe shoh se edhe me një grusht atomesh ne mund të bëjmë gjëra që asnjë superkompjuter nuk mund t’i llogarisë.”