Ученые обнаружили существование нового типа квазичастиц

Ученые обнаружили существование нового типа квазичастиц

Российские ученые экспериментально доказали существование нового типа квазичастиц - ранее неизвестных возбуждений связанных пар фотонов на цепочках кубитов. Открытие ученых может стать шагом на пути к созданию устойчивых к ошибкам квантовых вычислительных систем. Работа была опубликована в журнале Physical Review B.

На сегодняшний день сверхпроводящие кубиты являются одним из популярных и перспективных типов кубитов. Кубиты чаще всего используют для создания квантовых вычислительных устройств. При этом основными проблемами универсальных квантовых компьютеров являются декогеренция - потеря кубитами квантового состояния, которая приводит к ошибкам в ходе вычислений, и организация управляемой работы очень большого числа кубитов.

Квантовые симуляторы на основе метаматериалов - это альтернативный подход к квантовым вычислениям. В отличие от универсальных квантовых компьютеров, им не требуется большое количество управляющей электроники. Идея этого подхода заключается в том, чтобы создать из кубитов искусственную материю, физика которой будет подчиняться тем же уравнениям, что и у какого-то реального вещества. Можно, наоборот, запрограммировать симулятор таким образом, чтобы воплотить материю со свойствами, которые в природе до сих пор обнаружить не удавалось.

Системы из сверхпроводниковых кубитов в общем случае описываются моделью Бозе-Хаббарда. При этом из-за сильной квантовой нелинейности в данной модели могут возникать так называемые дублоны - т.е. связанное состояние двух фотонов. И хотя топологические свойства дублонов уже подробно описаны теоретически, их экспериментальные подтверждения до сих пор отсутствовали.

С целью изучения важных топологических свойств дублонов группа ученых из НИТУ "МИСиС", Российского квантового центра, Университета ИТМО, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ВНИАА и Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН построили квантовый симулятор на основе сверхпроводниковых кубитов. Квантовые симуляторы предназначены для решения узкоспециализированных квантовых задач связанных, например, с моделированием сложных систем с большим числом частиц.

"Измеряя свойства кубитов, мы можем делать выводы о более широком классе физических систем, описываемых теми же самыми уравнениями. А если мы можем управляемым образом менять параметры этих уравнений, то такое устройство можно считать "специализированным симулятором". Конечно, программируемость у него не такая, как у универсального квантового компьютера, но его масштабирование требует значительно меньшего количества ресурсов", - поясняет основной автор исследования Илья Беседин, младший научный сотрудник лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС".

Учеными была реализована цепочка из сверхпроводниковых кубитов-трансмонов с чередующейся связью. Благодаря чередованию сильной и слабой связи в этой системе возникают две зоны и краевое состояние. Такое состояние относится к топологическим. Более того, эксперимент показал, что дублоны тоже формируют краевое состояние, но не со стороны слабой связи, а со стороны сильной связи.

"Нам удалось увидеть, как дублоны формируют эти зоны, и даже удалось обнаружить как на верхнем краю дублонной зоны, по мере того, как мы увеличивали длину цепочки, начинает возникать краевое дублонное состояние", - отмечает Илья Беседин.

Таким образом, российским ученым впервые удалось продемонстрировать, что цепочках кубитов могут возникать новый тип квазичастиц - дублонные топологические возбуждения.

"Исследования сверхпроводниковых кубитов и квантовых схем сейчас ведутся во многих странах мира, и конкуренция в этой области растет. Эта работа с использованием 11 кубитов убедительно демонстрирует высокий научный уровень, достигнутый в России в области квантовых вычислений на основе сверхпроводников. Сейчас это особенно актуально и открывает очень хорошие перспективы для развития квантовых вычислений в России." - говорит заведующий лабораторией "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС" и руководитель группы в Российском квантовом центре, профессор, доктор физ.-мат. наук Алексей Устинов.

Справка о НИТУ "МИСиС"

НИТУ "МИСиС" - один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ "МИСиС" также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по 16 направлениям, входя в топ-100 в категориях "Инжиниринг-Горное дело" (рейтинг QS) и "Инжиниринг-Металлургия" (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ "МИСиС" в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).

Стратегическая цель НИТУ "МИСиС" к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нанотехнологий и ИТ. В состав университета входит 10 институтов, 6 филиалов - четыре в России и два за рубежом. В НИТУ "МИСиС" учится более 20 000 обучающихся, среди них 26% - это студенты из 84 стран мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. НИТУ "МИСиС" успешно реализует совместные проекты с крупнейшими высокотехнологичными компаниями России и мира.