Russische wetenschappers hebben het bestaan ​​van een nieuw type quasideeltje experimenteel bewezen - voorheen onbekende excitaties van gekoppelde paren fotonen in qubit-ketens. Deze ontdekking zou een stap kunnen zijn in de richting van wanorde-robuuste kwantummetamaterialen. De studie is gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

Supergeleidende qubits zijn tegenwoordig een toonaangevende qubit-modaliteit die momenteel wordt nagestreefd door de industrie en de academische wereld voor kwantumcomputertoepassingen. Echter, de prestaties van kwantumcomputers worden grotendeels beïnvloed door decoherentie die bijdraagt ​​aan de extreem korte levensduur van een qubit en rekenfouten veroorzaakt. Een andere grote uitdaging is de lage beheersbaarheid van grote qubit-arrays.

Metamateriaal kwantumsimulators bieden een alternatieve benadering van kwantumcomputing, omdat ze niet veel besturingselektronica nodig hebben. Het idee achter deze aanpak is om kunstmatige materie te creëren uit qubits, waarvan de fysica dezelfde vergelijkingen zal gehoorzamen als voor sommige echte materie. Omgekeerd, je kunt de simulator zo programmeren dat hij materie belichaamt met eigenschappen die nog niet in de natuur zijn ontdekt.

Arrays van supergeleidende qubits worden over het algemeen beschreven door het Bose-Hubbard-model. Een interessant kenmerk van het Bose-Hubbard-model is de opkomst van gebonden bosonparen (doublons) veroorzaakt door de sterke kwantumniet-lineariteit. De topologische fysica van doublons is uitgebreid onderzocht in een reeks recente theoretische werken. Echter, het experimentele onderzoek naar topologische eigenschappen van gebonden fotonparen ontbreekt nog.

Een groep wetenschappers van NUST MISIS, Russisch kwantumcentrum, ITMO-universiteit, Bauman Technische Staatsuniversiteit van Moskou, Dukhov Automatics Research Institute (VNIIA) en Ioffe Institute gebruikten een reeks supergeleidende qubits om een ​​kwantumsimulator te ontwikkelen. Quantum gebruikt verstrengeling en veeldeeltjesgedrag om harde wetenschappelijke, Engineering, en rekenproblemen.

"Door de eigenschappen van qubits te registreren, we kunnen conclusies trekken over een bredere klasse van fysieke systemen beschreven door dezelfde vergelijkingen. En als we de parameters van deze vergelijkingen op een gecontroleerde manier kunnen veranderen, dan kan zo'n apparaat worden beschouwd als een 'gespecialiseerde simulator'. Natuurlijk, de programmeerbaarheid is niet hetzelfde als die van een kwantumcomputer, maar de schaalvergroting vereist aanzienlijk minder middelen, " legt de hoofdauteur van de studie Ilya Besedin uit, junior onderzoeker bij het NUST MISIS Laboratory of Superconducting Metamaterials.

De wetenschappers ontwikkelden een reeks supergeleidende transmon-qubits met alternerende koppeling. Door de afwisseling van sterke en zwakke bindingen, twee zones en een randstatus verschijnen in dit systeem. Deze toestand is geclassificeerd als topologisch. Bovendien, het experiment laat zien dat dublons ook een randtoestand vormen.

"We konden zien hoe dubbels deze zones vormen, en we zijn er zelfs in geslaagd om te detecteren hoe een rand-doublon-toestand verscheen aan de bovenrand van de doublon-zone toen we de lengte van de array vergrootten, " merkt Ilya Besedin op.

Dus, de wetenschappers konden voor het eerst aantonen dat een nieuw type quasideeltjes - topologische topologische excitaties van doblon - kan ontstaan ​​in qubit-ketens.

"Onderzoek naar supergeleidende qubits en kwantumcircuits is momenteel aan de gang in veel landen over de hele wereld, en de concurrentie op dit gebied neemt toe. Deze studie over 11 qubits laat zien dat Rusland een hoog niveau van wetenschappelijke ontwikkeling heeft bereikt op het gebied van supergeleidende kwantumcomputers, " merkt prof. Alexey Ustinov op, hoofd van het laboratorium voor supergeleidende metamaterialen bij NUST MISIS en groepshoofd bij het Russische kwantumcentrum, die co-auteur was van de studie.