Helios-1: новый квантовый компьютер на пути к разгадке сверхпроводимости

Используя квантовый компьютер Helios-1, исследователи использовали рекордное количество безошибочно защищенных кубитов для проведения первой и самой масштабной квантовой симуляции модели идеальной проводимости.

Исследователи из компании Quantinuum, занимающейся квантовыми вычислениями, использовали новый квантовый компьютер Helios-1 для моделирования математической модели, которая давно применяется для изучения сверхпроводимости. Такое моделирование вполне доступно и для обычных компьютеров, но это достижение открывает возможности для того, чтобы квантовые компьютеры стали полезными инструментами в материаловедении.

Сверхпроводники проводят электричество с идеальной эффективностью, но в настоящее время они работают только при температурах, слишком низких для практического применения. Десятилетиями физики пытались понять, как изменить их структуру, чтобы они работали при комнатной температуре, и многие полагают, что ответы даст математическая модель, называемая моделью Ферми-Хаббарда. Этот потенциал делает её одной из важнейших моделей в физике конденсированного состояния, считает Хенрик Дрейер из Quantinuum.

Реклама

Обычные компьютеры способны проводить исключительно качественные симуляции модели Ферми-Хаббарда, но испытывают трудности с очень большими выборками или случаями, когда описываемые ею материалы изменяются со временем. Квантовые компьютеры имеют шанс в конечном итоге превзойти их. Теперь Дрейер и его коллеги провели самую масштабную на сегодняшний день симуляцию модели Ферми-Хаббарда на квантовом компьютере.

Они использовали Helios-1, содержащий 98 кубитов, созданных из ионов бария, каждый из которых управляется лазерами и электромагнитными полями. Для проведения моделирования исследователи проводили кубиты через последовательность квантовых состояний, а затем считывали выходные данные, измеряя их свойства. В их моделировании участвовало 36 частиц, называемых фермионами, которые представляют собой именно тот тип частиц, что существует в реальных сверхпроводниках и математически описывается моделью Ферми-Хаббарда.

Для работы сверхпроводника фермионы должны образовать пары, и эксперименты показали, что такое спаривание иногда может быть инициировано воздействием лазера на материал. Команда Quantinuum смоделировала этот сценарий: они воздействовали на кубиты лазерным импульсом, а затем измеряли полученные состояния, обнаруживая признаки спаривания моделируемых частиц. Моделирование не полностью воспроизводило эксперимент, но улавливало динамический процесс, который сложно реализовать традиционными компьютерными методами при применении к большему количеству частиц.

Дрейер утверждает, что новый эксперимент не является строгим доказательством преимущества Helios-1 перед всеми возможными традиционными вычислительными подходами, но изучение методов классического моделирования убедило его команду в том, что квантовый компьютер может конкурировать с ним. «Используя те методы, которые мы опробовали, невозможно было получить надёжные результаты, мы рассматривали пару часов на квантовом компьютере и большой вопрос о классическом подходе», — говорит он. Другими словами, оценки времени классических вычислений, сделанные командой, были настолько выше, что было сложно сказать, когда они будут сопоставимы с результатами Helios.

Другие квантовые компьютеры ещё не сталкивались с моделированием спаривания фермионов для достижения сверхпроводимости, и команда связывает свой успех с аппаратным обеспечением Helios. Дэвид Хейс, также работающий в Quantinuum, говорит, что кубиты Helios исключительно надёжны и отлично справляются с задачами бенчмаркинга, распространёнными в индустрии квантовых вычислений. В предварительных тестах он также мог бы выдерживать эксперименты с безошибочными кубитами, включая соединение 94 таких особых кубитов посредством квантовой запутанности, что является рекордом для всех квантовых компьютеров. Использование таких кубитов в будущих симуляциях может повысить их точность.

Эдуардо Ибарра Гарсия Падилья из колледжа Харви Мадда в Калифорнии считает, что новые результаты многообещающие, но их ещё необходимо тщательно сравнить с современными классическими компьютерными симуляциями. Он отмечает, что модель Ферми-Хаббарда вызывает огромный интерес у физиков с 1960-х годов, поэтому появление нового инструмента для её изучения весьма интересно.

Когда именно подходы, подобные используемым в Helios-1, станут реальными конкурентами лучшим традиционным компьютерам, остаётся только гадать, поскольку необходимо проработать ещё множество деталей, считает Стив Уайт из Калифорнийского университета в Ирвайне. Например, он отмечает, что существуют сложности с обеспечением того, чтобы квантовое компьютерное моделирование начиналось с правильного набора свойств кубитов. Тем не менее, Уайт утверждает, что квантовое моделирование может стать дополнением к классическому, особенно для динамического, или изменяющегося, поведения материалов.

«Они на пути к тому, чтобы стать полезными инструментами для моделирования в физике конденсированного состояния», — говорит он. «Но они всё ещё находятся на ранних стадиях развития, и предстоит преодолеть ещё немало вычислительных барьеров».

Ссылка: arXiv, DOI: 10.48550/arXiv.2511.02125

Источник: www.newscientist.com