Як я стаў навукоўцам квантавых вылічэнняў

Оксфард, 5 мая 2016 г. Як і кожную раніцу, калі я пачаў атрымліваць стыпендыю за 4 месяцы да гэтага, я прачнуўся, узяў свой стары пазычаны ровар (што ледзь не некалькі разоў мяне забіў) і паехаў па горадзе Оксфард, ад парку Рэлі да Кебл-роўда, сайт для тэорыі часціц групы Інстытута тэарэтычнай фізікі Рудольфа Пэрлса. Паўсядзённае распараджэнне пасля прыезду ў мой офіс пачалося са шклянкі вады, якую я выпіў, чытаючы навіны, пасля чаго пачаў каву, якую мне спадабалася, чытаючы квант-ph і хеп-ю на arXiv. У той дзень я натрапіў на дзіўную навіну. IBM абвясціла "прасунуты квантавы працэсар не толькі для навуковых колаў, але і для шырокай грамадскасці, забяспечваючы доступ да платформы квантавых вылічэнняў з любога настольнага ці мабільнага прылады праз воблака". Адразу я адправіў электроннае паведамленне маёй групе ў Барселоне. Вядома, яны таксама прачыталі навіны, ужо былі зарэгістраваныя ў IBM Quantum Experience і былі нейкія ідэі ...

Мы працавалі над няроўнасцямі Бэла з таго часу, як я пачаў доктарскую ступень. За 8 месяцаў да гэтага, у прыватнасці, для больш чым двух кубітаў, вядомых як няроўнасці Мерміна, і новыя прапановы па кутрытах. Паколькі IBM прапанавала квантавы кампутар з 5 кубітаў, яны вырашылі праверыць, ці парушаюцца гэтыя няроўнасці. Іншымі словамі, гэта быў квантовы апарат на самай справе квантавым? Даніэль Альсіна, у той час кандыдат навук. Студэнт, сказаў мне потым, што ён і наш дарадца зачыніліся ў сваім кабінеце, пакуль не запраграмавалі ўсе неабходныя схемы. Не пазней, чым зроблена, 13 мая 2016 года я атрымаў электронны ліст з іх працай, апублікаванай на arXiv. Першая праца з выкарыстаннем квантавага кампутара IBM даказала парушэнне няроўнасці Мерміна. Гэта прылада было сапраўды квантавым!

Няроўнасці Бэла - інструмент для вызначэння квантавай не лакальнасці і любой мясцовай тэорыі схаваных зменных. Аператары

На мой погляд, гэта стала вяхой у маім кандыдаце навук. і, напэўна, у маёй кар'еры. Гэта быў першы год майго доктара навук, я правёў пэўную працу над няроўнасцямі Бэла, і я пачаў цэнтральную працу майго доктара навук. тэзіс, заблытанасць у фізіцы часціц. Але стварэнне публічнай платформы квантовых вылічэнняў для правядзення рэальных эксперыментаў над воблакам адкрыла новы шлях. "Працуе гэта нармальна?" "Ці дастаткова гэта праграмаванне квантавага алгарытму?" "Якія алгарытмы мы можам распрацаваць у гэтай прыладзе?" "Ці можа яна быць карыснай у кароткатэрміновай перспектыве?" Вось некаторыя пытанні, якія прыйшлі мне ў галаву і, хутчэй за ўсё, і іншым членам супольнасці квантавых вылічэнняў, асабліва тэарэтыкам. Хмарныя вылічэнні наблізілі нас да эксперыменту; мы маглі б распрацаваць і пратэставаць нашы алгарытмы і праверыць, ці працуюць яны ў доўгатэрміновых квантавых кампутарах.

Калі я вярнуўся з Оксфарда, я працягваў працаваць над заблытанасцю ў фізіцы часціц, але я таксама пачаў вучыцца карыстацца квантавым кампутарам. У мінулым годзе наша група ў Барселонскім універсітэце аб'яднала свае намаганні з Барселонскім цэнтрам суперкампутараў і стварыла новую групу па квантавых вылічэннях. Мы, Quantic, нацэлены на стварэнне квантавага кампутара ў раёне Барселоны. Гэты новы праект яшчэ больш наблізіў мяне да эксперыменту, які прываблівае. Эксперыментальная група толькі што пачала ствараць лабараторыю, і мы, тэарэтыкі, працягваем працаваць са звычайнымі інструментамі, а менавіта паперай, ручкай і ноўтбукам, разам з аддаленымі квантавымі прыладамі, якія мы можам запусціць у воблаку.

Узнагарода IBM "Навучы мяне QISKit"

Я люблю іспанскі народны фразеалагізм, які літаральна перакладаецца як "д'ябал мудрэйшы за тое, каб быць старым, чым быць д'яблам". Гэта значыць, вопыту няма замены. Шмат было зроблена ў галіне квантовых вылічэнняў з таго часу, як гэта пачалося ў 80-х. Шмат пакаленняў фізікаў-тэарэтыкаў прапанавалі і ўдасканалілі квантавыя алгарытмы, але большасць з іх не прайшлі праверку на рэальных прыладах. Добры момант, каб праверыць літаратуру і выштурхнуць гэтыя творы на волю.

У якасці рэкамендацыі майго дарадцы трапіў артыкул: «Квантовыя схемы для моцна карэляваных квантавых сістэм», Фрэнк Верстраэт, Хуан Ігнасіа Сірак і Хасэ Ігнасіа Латор. Яны прапанавалі квантавы алгарытм, які дыяганалізуе пэўны выгляд гамільтонаў, у прыватнасці, XY Гамільтонаў. Гэтая схема адлюстравала стану вылічальнай базы ў уласных гамільтонаў. Падрыхтоўка першапачатковых кубітаў у прадуктовым стане атрымлівае зямлю або ўзбуджаны стан. Яны падалі прыклад гэтай схемы для n = 4 і n = 8 круцінняў з выкарыстаннем адной і двух-кубітных варот, але неабходныя аперацыі не з'яўляюцца часткай асноўных набораў у сучасных квантавых прыладах.

Я вырашыў адаптаваць гэтую схему для мадэлі Ізінга Гамільтонаў, прыватнага выпадку XY-мадэлі, з выкарыстаннем квантавых варот, даступных у эксперыментах. Пасля таго, як я запраграмаваў гэтую схему, я мог бы зрабіць некалькі эксперыментаў. Аднамерная мадэль Ізінга з'яўляецца адной з самых простых мадэляў для апісання ўзаемадзеяння спінавай ланцуга. Яго квантавая версія паказвае квантавы фазавы пераход ад парамагнітнага да ферамагнітнага пры крытычным значэнні папярочнага поля. У адрозненне ад тэрмадынамічных фазавых пераходаў, гэта змяненне фазы залежыць не ад тэмпературы, а ад квантавых ваганняў, якія адбываюцца пры нулявой тэмпературы. Вы можаце назіраць фазавы пераход, вылічыўшы чаканае значэнне намагнічанасці.

Аднак можна зрабіць яшчэ больш цікавыя мадэляванні з дапамогай гэтай канкрэтнай схемы. Як я ўжо казаў, гэтая схема адлюстроўвае вылічальную аснову станаў да ўласных гамільтонаў, гэта азначае, што мы маем доступ да ўсяго спектру, а не толькі да асноўнага стану. Выкарыстоўваючы гэта ўласцівасць, мы можам мадэляваць эвалюцыю часу, якое можна назіраць, напрыклад намагнічванне, паколькі неабходна характарыстыка ўсіх уласных станаў. У якасці прыкладу я змадэляваў эвалюцыю часу намагнечвання стану | 0000: зменная час проста кадыфікавана ў фазе падчас першапачатковай падрыхтоўкі.

Час эвалюцыі мадэлявання чаканага значэння намагнічанасці для дзяржавы | 0000>. Штрыховыя лініі ўяўляюць сабой эксперыментальныя пункты, атрыманыя з прыладай ibmqx5.

Паколькі мадэль Ізінга з'яўляецца інтэгравальнай, яна можа быць вырашана аналітычна, і выкарыстоўваная квантавая схема можа быць эфектыўна абагульнена для большай колькасці кубітаў. Затым гэтая схема можа быць выкарыстана для параўнання квантавых кампутараў. Уся гэтая праца прывяла да майго першага артыкула, напісанага мной.

У той час як я працаваў над гэтым праектам, IBM абвясціў узнагароды IBM Q Awards, таму я падумаў, што мая праца можа стаць добрым падручнікам, каб даведацца, як выкарыстоўваць QISKit, і прыклад прымянення квантавых вылічэнняў у фізіцы згушчанага рэчыва. Мабыць, суддзі лічылі тое ж самае, бо яны прапанавалі перамагчы маю працу. Я не мог быць больш узнагароджаны за гэтае прызнанне, тым больш пасля праверкі неверагодных твораў іншых людзей, якія таксама даступныя ў якасці падручнікаў QISKit.

Мы перажываем дзіўны перыяд, назіраем нараджэнне тэхналогіі, якая прадугледжвае стварэнне новай парадыгмы ў вылічэнні. На мой погляд, адкрыццё эксперыментаў і інструментаў іх праграмавання для ўсіх не толькі дэмакратызуе навуку, але і павялічвае яе прагрэс.