. Квантовая вычислительная машина, созданная в Гарварде группой Михаила Лукина, решила первую серьезную задачу, экспериментально подтвердив теорию, описывающую рождение Вселенной и переходы между разными формами материи. Выводы ученых были опубликованы в журнале Nature.
Почти все элементы и химические соединения, существующие во Вселенной, могут принимать четыре разных агрегатных формы материи – превращаться в твердое тело, жидкость, газ и плазму. Эти превращения, так называемые фазовые переходы, уже много столетий изучаются физиками, и пока ученые не могут уверенно сказать, что они полностью понимают все подобные процессы.
Все эти превращения описываются сегодня при помощи одной и той же теории, так называемого механизма Киббла-Журека, разработанного Томом Кибблом и Войцехом Журеком в конце 1980 годов для описания процесса рождения Вселенной и появления в ней неоднородностей.
Они показали, что фазовые переходы возникают благодаря формированию так называемых топологических дефектов, особых точек с "неправильными" физическими свойствами, которые нарушают симметрию и которые нельзя "разгладить" в рамках той системы, где они рождаются. Источником этих дефектов выступают тепловые или квантовые флуктуации.
Справедливость этой теории, как пишут Лукин и его коллеги, была много раз доказана экспериментальным путем для "классических" фазовых переходов. При этом ученым не удавалось полностью проверить ее, наблюдая за объектами, чье поведение полностью описывается законами квантового мира.
Эту задачу удалось решить ученым из Гарварда, используя мощный квантовый компьютер, о создании которого Михаил Лукин объявил на конференции в Москве в июле 2017 года. Он объединяет в себе 51 кубит, квантовых ячеек памяти и вычислительных блоков, что позволяет ему входить в пятерку самых мощных систем такого рода.
Роль кубитов в данном случае играют особые частицы, которые физики называют "атомами Ридберга". Они представляют собой атомы рубидия-87, чей последний электрон был "отодвинут" на огромное расстояние от ядра при помощи особых лазерных или радиоволновых импульсов. Благодаря этому размер атома увеличивается примерно в миллион раз.
По этой причине подобными "атомами" гораздо проще манипулировать, чем их обычными "кузенами". Вдобавок, они обладают одним чрезвычайно полезным свойством для квантовых компьютеров – они отталкивают друг друга и взаимодействуют друг с другом на очень больших расстояниях.
Это позволило Лукину и его команде превратить набор из нескольких десятков подобных "атомов" в аналоговый квантовый компьютер, выстроив их в длинную цепочку. Работой этих кубитов ученые могут управлять, обстреливая их еще одним лазером.
Подобные машины, как отмечал профессор Гарварда в интервью РИА "Новости", можно использовать не только для проведения вычислений, но и "прямых" наблюдений за процессами в квантовом мире. Ученые воспользовались им для проверки квантовой версии теории Киббла-Журека, особым образом меняя состояние атомов и наблюдая за их взаимодействиями.
Как оказалось, эти математические выкладки вполне корректно предсказывали то, как формировались квантовые топологические дефекты внутри квантового компьютера, и как часто и где они возникали в зависимости от скорости манипуляций кубитами и их изначального состояния.
Вдобавок, ученые просчитали несколько спорных и очень сложных ситуаций и обнаружили несколько намеков на то, как можно ускорить работу их компьютера и похожих на него вычислительных систем, а также применять их для просчета внутренней структуры ядер атомов и поведения элементарных частиц.