Μία νέα τεχνική βοηθά στην επιβεβαίωση της ακρίβειας των πειραμάτων που διερευνούν την περίεργη συμπεριφορά των συστημάτων ατομικής κλίμακας.
Η φυσική του μικρόκοσμου είναι γεμάτη παραξενιές. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν κβαντικούς αναλογικούς προσομοιωτές -εργαστηριακά πειράματα που αφορούν την ψύξη ενός αριθμού ατόμων σε ιδιαίτερα χαμηλές θερμοκρασίες και την μελέτη τους τους μέσω λεπτομερώς βαθμονομημένων λέιζερ και μαγνητών- για να αποκαλύψουν, να αξιοποιήσουν και να ελέγξουν αυτά τα περίεργα κβαντικά φαινόμενα.
Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι κάθε κομμάτι νέας γνώσης που θα προκύψει από τους κβαντικούς προσομοιωτές, θα αποτελέσει το υπόβαθρο για το σχεδιασμό νέων εξωτικών υλικών, εξυπνότερων και πιο αποτελεσματικών ηλεκτρονικών και πρακτικών κβαντικών υπολογιστών. Για να μπορούν, όμως, να αποκομίσουν γνώση από τους κβαντικούς προσομοιωτές, πρέπει να μπορούν να τους εμπιστεύονται.
Πρέπει, δηλαδή, να είναι σίγουροι πως η κβαντική συσκευή τους είναι “υψηλής πιστότητας” και πως αντικατοπτρίζει με ακρίβεια την κβαντική συμπεριφορά. Εάν, παραδείγματος χάριν, οι ερευνητές εργάζονται με ένα σύστημα ατόμων το οποίο επηρεάζεται εύκολα από τον εξωτερικό θόρυβο, μπορεί να διαπιστώσουν λανθασμένα την ύπαρξη μίας κβαντικής δράσης, η οποία στην πραγματικότητα δεν υφίσταται. Όμως, μέχρι σήμερα δεν υπήρχε κάποιος αξιόπιστος τρόπος για να ελεγχθεί η πιστότητα των κβαντικών αναλογικών προσομοιωτών.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό “Nature”, μία ομάδα φυσικών από το MIT και το Caltech αναφέρεται σε ένα νέο κβαντικό φαινόμενο: Διαπίστωσαν ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις των ατόμων εμφανίζουν μία ορισμένη τυχαιότητα και ότι αυτή η τυχαία συμπεριφορά παρουσιάζει ένα καθολικό, προβλέψιμο μοτίβο. Μία συμπεριφορά που είναι ταυτόχρονα τυχαία και προβλέψιμη ίσως ακούγεται σαν κάτι το αντιφατικό· η ομάδα όμως κατάφερε να επαληθεύσει πως ορισμένες τυχαίες διακυμάνσεις μπορούν πράγματι να ακολουθήσουν ένα προβλέψιμο στατιστικό μοτίβο.
Και δεν σταμάτησαν εκεί! Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτήν την κβαντική τυχαιότητα ως εργαλείο χαρακτηρισμού της πιστότητας ενός κβαντικού αναλογικού προσομοιωτή. Η ομάδα ανέπτυξε ένα νέο πρωτόκολλο αξιολόγησης, το οποίο μπορεί να εφαρμοστεί στους κβαντικούς αναλογικούς προσομοιωτές ώστε να μετρήσει την πιστότητά τους με βάση το μοτίβο κβαντικών διακυμάνσεων που εμφανίζουν.
«Η εργασία αυτή θα επιτρέψει να χαρακτηριστούν πολλές από τις ήδη υπάρχουσες κβαντικές συσκευές, με πολύ υψηλή ακρίβεια», δηλώνει ο Soonwon Choi, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο MIT και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Υποδηλώνει επίσης ότι υπάρχουν βαθύτερες, απ’ όσο θεωρούσαμε έως τώρα, θεωρητικές δομές πίσω από την τυχαιότητα των χαοτικών κβαντικών συστημάτων».
Τυχαιότητα στην εξέλιξη
Έναυσμα για τη νέα μελέτη αποτέλεσε το η εξέλιξη που ανακοίνωσε η Google το 2019· οι ερευνητές της κατασκεύασαν έναν ψηφιακό κβαντικό υπολογιστή, με το όνομα “Sycamore”, ο οποίος θα μπορούσε να εκτελέσει υπολογισμούς πολύ πιο γρήγορα από έναν κλασικό υπολογιστή.
Οι στοιχειώδεις μονάδες πληροφορίας σε έναν κλασικό υπολογιστή είναι τα “bits” τα οποία βρίσκονται είτε στην κατάσταση “0” είτε στην κατάσταση “1”. Όμως, οι αντίστοιχες μονάδες ενός κβαντικού υπολογιστή, γνωστές ως “qubits”, μπορούν να βρίσκονται σε υπέρθεση πολλαπλών καταστάσεων. Όταν τα qubits αλληλεπιδρούν, θεωρητικά μπορούν να εκτελέσουν αλγόριθμους που λύνουν δύσκολα προβλήματα, σε πολύ λιγότερο χρόνο από οποιονδήποτε κλασικό υπολογιστή.
Οι ερευνητές της Google κατασκεύασαν ένα σύστημα υπεραγώγιμων βρόχων οι οποίοι συμπεριφέρονται ως 53 qubits και έδειξαν ότι ο “υπολογιστής” μπορούσε να εκτελέσει υπολογισμούς που θα ήταν πολύ δύσκολοι ακόμη και για τους ο ταχύτερους υπερυπολογιστές του κόσμου.
Η Google έδειξε, επίσης, ότι μπορούσε να ποσοτικοποιήσει την πιστότητα του συστήματος. Αλλάζοντας τυχαία την κατάσταση μεμονωμένων qubits και συγκρίνοντας τις προκύπτουσες καταστάσεις των 53 qubits με το τι προβλέπουν οι αρχές της κβαντομηχανικής, κατάφεραν να μετρήσουν την ακρίβεια του συστήματος.
Ο Choi και οι συνεργάτες του αναρωτήθηκαν αν θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν μια παρόμοια, τυχαιοποιημένη προσέγγιση για να μετρήσουν την πιστότητα των κβαντικών αναλογικών προσομοιωτών. Όμως, υπήρχε ένα εμπόδιο που θα έπρεπε να ξεπεράσουν: Σε αντίθεση με το ψηφιακό κβαντικό σύστημα της Google, ο χειρισμός μεμονωμένων ατόμων -και κατ’ επέκταση ο τυχαίος έλεγχός τους- είναι ιδιαίτερα δύσκολος.
Μέσω μοντελοποίησης, ο Choi συνειδητοποίησε ότι το συλλογικό αποτέλεσμα του χωριστού χειρισμού των qubits στο σύστημα της Google, θα μπορούσε να αναπαραχθεί σε έναν αναλογικό κβαντικό προσομοιωτή, απλά με το να αφεθούν τα qubits να εξελιχθούν φυσικά.
«Συνειδητοποιήσαμε ότι δεν χρειάζεται να σχεδιάσουμε αυτή την τυχαία συμπεριφορά», εξηγεί ο Choi. «Χωρίς να επιχειρούμε ρυθμίσεις ακριβείας, μπορούμε απλώς να αφήσουμε να εξελιχθεί η φυσική δυναμική των κβαντικών προσομοιωτών, και το αποτέλεσμα θα οδηγήσει λόγω του χάους σε ένα παρόμοιο μοτίβο τυχαιότητας.»
Χτίζοντας εμπιστοσύνη
Ως ένα εξαιρετικά απλοποιημένο παράδειγμα, φανταστείτε ένα σύστημα με πέντε qubits. Μέχρι να εκτελεστεί κάποια μέτρηση, όπου τότε τα qubits θα εμφανιστούν σε μία από τις καταστάσεις “0” ή “1”, το κάθε qubit μπορεί να βρίσκεται και στις δύο κατστάσεις ταυτόχρονα. Σε κάθε μέτρηση, τα qubits μπορούν να εμφανίσουν έναν από τους εξής 32 διαφορετικούς συνδυασμούς: “0-0-0-0-0”, “0-0-0-0-1” και ούτω καθεξής.
«Αυτές οι 32 διατάξεις θα λάβουν χώρα βάσει μίας συγκεκριμένης κατανομής πιθανοτήτων, η οποία πιστεύεται ότι θα πρέπει να είναι παρόμοια με αυτά που προβλέπει η στατιστική φυσική», λέει ο Choi. «Αυτό που δείχνουμε εμείς είναι ότι ναι μεν συμφωνούν κατά μέσο όρο, υφίστανται όμως αποκλίσεις και διακυμάνσεις οι οποίες παρουσιάζουν μια καθολική τυχαιότητα της οποίας την ύπαρξη δεν γνωρίζαμε. Και η τυχαιότητα αυτή είναι η ίδια με αυτήν που θα παίρναμε εάν εκτελούσαμε τους τυχαίους χειρισμούς που έκανε η Google.»
Οι ερευνητές σκέφτηκαν πως εάν μπορούσαν να αναπτύξουν μια αριθμητική προσομοίωση που αντιπροσωπεύει με ακρίβεια τη δυναμική και τις καθολικές τυχαίες διακυμάνσεις ενός κβαντικού προσομοιωτή, θα μπορούσαν να συγκρίνουν τα προβλεπόμενα αποτελέσματα με τα πραγματικά αποτελέσματα του προσομοιωτή. Όσο πιο κοντά μεταξύ τους αυτά τα δύο, τόσο πιο ακριβής θα πρέπει να είναι ο κβαντικός προσομοιωτής.
Για να δοκιμάσει αυτή την ιδέα, ο Choi συνεργάστηκε με πειραματικούς φυσικούς από το Caltech, οι οποίοι κατασκεύασαν έναν κβαντικό αναλογικό προσομοιωτή που αποτελείται από 25 άτομα. Με την χρήση λέιζερ μπορούσαν να διεγείρουν συλλογικά τα άτομα και στη συνέχεια να αφήσουν τα qubits να αλληλεπιδράσουν φυσικά και να εξελιχθούν με την πάροδο του χρόνου. Η ομάδα κατέγραψε την κατάσταση κάθε qubit σε πολλές επαναλήψεις του πειράματος, συγκεντρώνοντας συνολικά 10.000 μετρήσεις.
Ο Choi και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν επίσης ένα αριθμητικό μοντέλο που αναπαριστά την κβαντική δυναμική του πειράματος και ενσωμάτωσαν μια εξίσωση στην οποία κατέληξαν για να προβλέψουν τις καθολικές, τυχαίες διακυμάνσεις που θα έπρεπε να προκύψουν. Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνέκριναν τις πειραματικές μετρήσεις τους με τα προβλεπόμενα αποτελέσματα του μοντέλου και παρατήρησαν μια πολύ στενή αντιστοιχία — ισχυρές ενδείξεις ότι μπορούμε να εμπιστευτούμε τον συγκεκριμένο προσομοιωτή στο ότι αντικατοπτρίζει καθαρά κβαντομηχανική συμπεριφορά.
Γενικότερα, τα αποτελέσματα παρουσιάζουν έναν νέο τρόπο χαρακτηρισμού σχεδόν οποιουδήποτε κβαντικού αναλογικού προσομοιωτή.
«Η ικανότητα χαρακτηρισμού κβαντικών συσκευών αποτελεί ένα πολύ βασικό τεχνικό εργαλείο για την κατασκευή ολοένα μεγαλύτερων, ακριβέστερων και πιο πολύπλοκων κβαντικών συστημάτων», λέει ο Choi. «Με το εργαλείο αυτό, οι επιστήμονες είναι σε θέση να γνωρίζουν εάν εργάζονται με ένα αξιόπιστο ή όχι σύστημα.»
Παραπομπές: “Preparing random states and benchmarking with many-body quantum chaos” by Joonhee Choi, Adam L. Shaw, Ivaylo S. Madjarov, Xin Xie, Ran Finkelstein, Jacob P. Covey, Jordan S. Cotler, Daniel K. Mark, Hsin-Yuan Huang, Anant Kale, Hannes Pichler, Fernando G. S. L. Brandão, Soonwon Choi, and Manuel Endres, 18 January 2023, Nature.
Πηγή: https://news.mit.edu/
