Un manque de symétrie dans les qubits ne peut pas corriger les erreurs de l’ordinateur quantique, pourrait expliquer la matière / antimatière


Un manque de symétrie dans les qubits ne peut pas corriger les erreurs de l'ordinateur quantique, pourrait expliquer la matière / antimatière

Un nouveau document tentant de supprimer une contrainte de temps dans les ordinateurs à lueur a plutôt ouvert un certain nombre de nouveaux problèmes physiques qui peuvent maintenant être étudiés avec des lueur quantique sans avoir à être trop lent. Crédit photo: Laboratoire national de Los Alamos

Une équipe de théoriciens quantiques essayant de résoudre un problème fondamental avec les ordinateurs quantiques à incandescence – ils doivent fonctionner relativement lentement pour fonctionner correctement – a plutôt trouvé quelque chose d’intéressant. Tout en étudiant les performances des lueurs quantiques lorsqu’elles fonctionnent plus rapidement que souhaité, l’équipe a découvert de manière inattendue un nouvel effet qui pourrait être responsable de la distribution déséquilibrée de la matière et de l’antimatière dans l’, ainsi qu’une nouvelle approche pour séparer les isotopes.

«Bien que notre découverte n’ait pas supprimé la contrainte de temps de lueur, elle a entraîné un certain nombre de nouveaux problèmes physiques qui peuvent maintenant être étudiés avec des lueurs quantiques sans avoir à être trop lent», a déclaré Nikolai Sinitsyn, physicien théoricien au Los Alamos National Laboratory. Sinitsyn est l’auteur de l’article publié le 19 février Lettres d’examen physiqueavec les co-auteurs Bin Yan et Wojciech Zurek, tous deux également de Los Alamos, et Vladimir Chernyak de la Wayne State University.

De manière significative, cette découverte suggère comment au moins deux problèmes scientifiques célèbres peuvent être résolus à l’avenir. Le premier est l’apparente asymétrie entre la matière et l’antimatière dans l’univers.

« Nous pensons que de petites modifications des expériences récentes avec la lueur quantique des en interaction d’atomes ultra-froids à travers des transitions de phase suffiront à démontrer notre effet », a déclaré Sinitsyn.

Explication de l’écart entre la matière et l’antimatière

La matière et l’antimatière résultaient des stimuli d’énergie générés lors de la naissance de l’univers. La symétrie entre l’interaction de la matière et de l’antimatière était brisée, mais très faible. Il n’est pas encore tout à fait clair comment cette différence subtile pourrait conduire à une forte dominance observée de la matière par rapport à l’antimatière au niveau cosmologique.

L’effet nouvellement découvert montre qu’une telle asymétrie est physiquement possible. Cela se produit lorsqu’un grand système quantique passe par une transition de phase, c’est-à-dire un réarrangement très net de l’état quantique. Dans de telles circonstances, les interactions fortes mais symétriques se compensent à peu près. Des différences subtiles et persistantes peuvent alors jouer le rôle décisif.

Rendre la lueur quantique suffisamment lente

Les ordinateurs à lueur quantique ont été développés pour résoudre des problèmes d’optimisation complexes en attribuant des variables à des états quantiques ou des qubits. Contrairement aux bits binaires d’un ordinateur classique, qui ne peuvent être que dans un état ou une valeur de 0 ou 1, les qubits peuvent être dans une superposition quantique de valeurs intermédiaires. C’est là que tous les ordinateurs quantiques tirent leurs incroyables pouvoirs, quoique largement inutilisés.

Dans un ordinateur à lueur quantique, les qubits sont initialement créés dans un état d’énergie simple et le plus faible en appliquant un champ magnétique externe puissant. Ce champ est ensuite lentement désactivé tandis que les interactions entre les qubits sont lentement activées.

« Idéalement, un annealer fonctionne assez lentement pour fonctionner avec un minimum d’erreurs, mais la décohérence signifie que vous devez exécuter l’annealer plus rapidement », a déclaré Yan. L’équipe a étudié l’effet résultant lorsque les appareils de chauffage fonctionnent à une vitesse plus rapide, ce qui les à une durée de fonctionnement limitée.

« Selon le théorème adiabatique de la mécanique quantique, les qubits doivent toujours rester dans leur état d’énergie le plus bas lorsque tous les changements sont très lents, soi-disant adiabatiquement lents », a déclaré Sinitsyn. « Lorsque nous les mesurons enfin, nous trouvons la configuration souhaitée de zéros et de uns qui minimise la fonction d’intérêt qui serait impossible à réaliser avec un ordinateur classique moderne. »

Entravé par la décohérence

Cependant, comme tous les ordinateurs quantiques précédents, les recuits quantiques actuellement disponibles sont gênés par les interactions de leurs qubits avec l’environnement, ce qui conduit à la décohérence. Ces interactions limitent le comportement quantique pur des qubits à environ un millionième de seconde. Pendant cette période, les calculs doivent être rapides – non adiabatiques – et des stimuli énergétiques indésirables modifient l’état quantique et conduisent à des erreurs de calcul inévitables.

La théorie Kibble-Zurek, co-développée par Wojciech Zurek, prédit que la plupart des erreurs se produisent lorsque les qubits rencontrent une transition de phase, c’est-à-dire un réarrangement très net de leur état quantique collectif.

Pour ce travail, l’équipe a examiné un modèle résoluble connu dans lequel des qubits identiques interagissent uniquement avec leurs voisins le long d’une chaîne. Le modèle vérifie analytiquement la théorie de Kibble-Zurek. Dans un effort pour remédier à un temps de fonctionnement limité dans les ordinateurs à lueur quantique, les théoriciens ont augmenté la complexité de ce modèle en supposant que les qubits sont divisés en deux groupes avec des interactions identiques au sein de chaque groupe, mais des interactions légèrement différentes pour les qubits des différents groupes pourraient.

Dans un tel mélange, ils ont découvert un effet inhabituel: un groupe produisait encore une grande quantité d’excitations énergétiques tout en passant par une transition de phase, tandis que l’autre groupe restait dans le minimum d’énergie, comme si le système ne subissait aucune transition de phase. .

«Le modèle que nous avons utilisé est hautement symétrique afin d’être résoluble, et nous avons trouvé un moyen d’étendre le modèle, de briser cette symétrie et de toujours le résoudre», a expliqué Sinitsyn. «Ensuite, nous avons découvert que la théorie Kibble-Zurek avait survécu, mais avec une torsion – la moitié des qubits n’utilisaient aucun pouvoir et se comportaient« gentiment ». En d’autres termes, ils ont conservé leurs états de base.»

Malheureusement, l’autre moitié des qubits a causé beaucoup d’erreurs de calcul – donc aucun remède pour passer par une transition de phase dans les ordinateurs quantiques à lueur jusqu’à présent.

Une nouvelle façon de séparer les isotopes

Un autre problème de longue date qui peut bénéficier de cet effet est la séparation des isotopes. Par exemple, l’uranium naturel doit souvent être en isotopes enrichis et appauvris afin que l’uranium enrichi puisse être utilisé à des fins nucléaires ou de sécurité nationale. Le processus de séparation actuel est coûteux et gourmand en énergie. L’effet découvert signifie qu’en cyclant dynamiquement un mélange d’atomes ultra-froids en interaction à travers une transition de phase quantique, différents isotopes peuvent ou non être excités sélectivement puis séparés en utilisant la technique de déflexion magnétique disponible.


Nouveau modèle pour des ordinateurs quantiques plus stables


Plus d’information:
Bin Yan et al., Transition de phase non adiabatique avec symétrie chirale brisée, Lettres d’examen physique (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.070602

Fourni par Los Alamos National Laboratory

Citation: Un manque de symétrie dans les qubits ne peut pas les erreurs de l’ordinateur quantique. Cela pourrait expliquer matière / antimatière (2021, 22 février), qui a été consulté le 22 février 2021 sur https://phys.org/news/2021-02-lack-symmetry-qubits -errors-quantum.html

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