Ионная пара — базовый блок универсального квантового симулятора

Квантовая симуляция, то есть, использование одной квантовой системы для моделирования поведения другой — менее контролируемой, может оказаться полезной в случаях, когда сложность моделируемого явления, например, высокотемпературной сверхпроводимости, перерастает возможности классических компьютеров.

Физики из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) взяли за основу перспективную квантовую систему, состоящую из ионов в индивидуальных потенциальных ямах, и продемонстрировали детерминистический контроль кулоновского взаимодействия между двумя из них путем независимого управления потенциальными ямами.

В экспериментах, описанных в выпуске Nature за 6 августа, исследователи вводили два иона бериллия, находящиеся в разных зонах охлажденной электростатической ловушки (запоминающее устройство), в состояние квантовой перепутанности. Они заставляли ионы обмениваться квантами колебательной энергии, а затем использовали лазерное и микроволновое излучение для «перепутывания» их спинов. Отдельные зоны захвата позволяли ученым контролируемо изменять степень взаимодействия между парой ионов от сильной до слабой.

Такая схема подходит для эмуляции всевозможных спиновых взаимодействий, а возможность ее расширения на двумерную сеть стандартными методами микрофабрикации ионных ловушек обеспечит новой квантовой среде моделирования высокую гибкость и масштабируемость в широких пределах.

Как указывают авторы публикации в Nature, массива, составленного всего из нескольких десятков ионов, может оказаться достаточно для выполнения полезных квантовых симуляций явлений физики конденсированных сред, таких как дробный квантовый эффект Холла.

Помимо моделирования предложенная система может использоваться для выполнения логических операций в будущих квантовых компьютерах, а также для квантовых измерений повышенной точности.