Piknik ob torusu

V znanstveni redakciji na Radiu Študent nadaljujemo s spremljanjem perečih tem v sodobni fiziki kondenzirane snovi. Tokrat poročamo o od prevajalnika TeX  še vročem članku na portalu arXiv, v katerem velika znanstvena kolaboracija poroča o novih presežkih na področju kvantnih simulacij. V sistemu 31-ih superprevodnih kubitov so simulirali do zdaj le teoretični objekt, tako imenovano torusno kodo.

Znanost / Znanstveni britoff

O temnem ničemer

-

Martin Ulaga

 / 25. 10. 2019

Novo poročilo sledi leto in pol staremu oznanilu o kvantni premoči, ki jo je gugl prvič demonstriral na svojem kvantnem čipu Sycamore. Takrat so v kvantnem vezju realizirali za kvantni računalnik najbolj primeren problem - naključna unitarna vrata. Tokrat pa so simulirali model Kitaeva in njegovo osnovno stanje oziroma torusno kodo. To stanje poseduje posebno vrsto urejenosti, ki ji rečemo topološka urejenost.

Priprava takega stanja se morda zdi zapletena, vendar je model Kitaeva točno rešljiv in zato je postopek znan. Za inicializacijo iz trivialnega stanja so tako potrebovali le aplikacijo 12-ih kvantnih Hadamardovih vrat in 13-ih vrat CNOT. V sistemu so nato izmerili Renyijevo entropijo različno velikih podsistemov. Za topološko urejene sisteme je namreč značilna kvantna prepletenost na dolge razdalje, ki se manifestira v topološkem prispevku k entropiji sistema. Prav to pa so izmerili prek Renyijeve entropije podsistemov. Tako so potrdili pravilnost postopka priprave torusne kode.

Omenimo še eno stvar, ki jo lahko počnemo s torusno kodo in je pravzaprav glavna motivacija eksperimenta. Iz topološkega stanja veliko prepletenih superprevodnih kubitov namreč izide topološko zaščiten kubit, ki en kvantni bit informacije porazdeli čez celoten sistem. Pogoj za to je degeneracija osnovnih stanj, ki jo v čip vpeljejo s primernimi robnimi pogoji. Vsako izmed teh osnovnih stanj je topološko urejeno na drugačen način. Prehodi med njimi pa so mogoči samo z globalnimi logičnimi operacijami, ki so posebni produkti operacij na posameznih kubitih. Globalne spremembe se ne morejo zgoditi po nesreči kot posledica lokalnega termičnega šuma, zato je stanje zaščiteno.

Skupina je še demonstrirala nekaj implementacij omenjenih logičnih operacij in testirala, koliko časa so ti topološki kubiti odporni na uničenje oziroma dekoherence. Ugotavljajo, da je časovna zahtevnost logičnih operacij zaenkrat še prevelika, da bi omogočala računanje. Dodajajo pa, da bo zasnovo poskusa mogoče razširiti tudi na druga topološko urejena stanja, ne samo torusno kodo. Glavna ovira pa ostaja uravnoteženje odpornosti na dekoherence s hitrostjo globalnih logičnih vrat.

Vir: https://arxiv.org/pdf/2104.01180.pdf