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Pouvez-vous faire confidence à votre simulateur quantique ? A brand new method permits us to confirm the precision of the experiences that sound the unusual conduct of the methods by the atomistic

A l’échelle des atoms individuels, la physique devient weird. Les chercheurs s’effortente de révéler, d’exploiter et de contrôler ces étranges effets quantiques à l’aide de simulateurs analogiques quantiques – des expériences de laboratoire qui implicent de super-refroidir des dizaines à des centaines d’atomes et de les sonder avec des lasers et des aimants finement réglés.

Les scientifiques espèrent que toute nouvelle compréhension acquise grâce aux simulateurs quantiques fournira des plans pour concevoir de nouveaux matériaux exoticas, une électronique plus intelligente et plus efficace et des ordinateurs quantiques pratiques. Mais pour récolter les informations des simulateurs quantiques, les scientifiques doivent d’abord leur faire confidence.

C’est-à-dire qu’ils doivent être sûrs that leur appareil quantique a une « haute fidélité » et reflète avec précision le comportement quantique. For instance, if a system of atoms is definitely influenced by the exterior bruit, the chercheurs pourraient suppose a effet quantique là où il n’y en a pas. Mais jusqu’à présent, il n’existait no moyen dependable de caractériser la fidélité des simulateurs analogiques quantiques.

Dans une étude parue dans nature, des physiciens du MIT et de Caltech rapportent un nouveau phénomène quantique: ils ont découvert qu’il there exists a sure random character within the quantum fluctuations of atoms et that ce conduct random presents a schema common et prévisible. Un comportement à la fois aleatoire et prévisible peut resembler à une contradiction. However the staff confirmed that sure random fluctuations may very well have a predictable statistical sample.

De plus, les chercheurs ont utilisé cet aléa quantique comme helpful pour caractériser la fidélité d’un simulateur analogique quantique. Ils ont montré par la théorie et les expériences qu’ils pouvaiente determinar la precision de un simulante quantique en analysante ses fluctuations aleatoires.

L’équipe a desveloppé un nouveau protocole d’analyse comparative qui peut être appliqué aux simulateurs analogiques quantiques existants pour évaluer leur fidélité en fonction de leur modèle de fluctuations quantiques. Le protocole pourrait aider à accélérer le développement de nouveaux matériaux exoticas et de systèmes informatiques quantiques.

« Ce travail permettrait de caractériser de nombreux dispositifs quantiques existents avec une très grande precisión », explains the co-author of l’étude, Soonwon Choi, adjoint professor of physique at MIT. « Cela suggests également qu’il exist des buildings theoriques plus profondes derrière le caractère aléatoire des systemes quantiques chaotiques que ce à quoi nous avions pensé auparavant. »

Les auteurs de l’étude embody Daniel Mark, a graduate scholar of MIT, et des collaborators de Caltech, de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, de l’Université de Harvard et de l’Université de Californie à Berkeley.

Random evolution

La nouvelle étude a été motivée par una avancée en 2019 de Google, où les chercheurs avaiente construit un ordinateur quantique numérique, baptisé « Sycamore », qui pouvait efectuer un calculus specifique extra shortly qu’un ordinateur classique.

Though the calculus items of a classical pc are the “bits” that exist within the type of a 0 or a 1, the items of a quantum pc, referred to as “qubits”, can exist in a superposition of d ‘a number of states. Lorsque plusieurs qubits interagissent, ils peuvent en théorie exécuter des algorithmes spéciaux qui résolvent des problèmes difficiles en un temps beaucoup plus courtroom que n’importe quel ordinateur classique.

The chercheurs of Google have a system of supraconductive loops to behave like 53 qubits and I discovered that “the ordinateur” can carry out a particular calculation that will usually be trop épineux for a similar answer for the quickest supercalculateur on the earth.

Google a également montré qu’il pouvait quantifier la fidélité du système. In modifiant de manière aléatoire l’état des qubits individuels et en comparante les états résultants des 53 qubits avec ce que prédisent les principes de la mécanique quantique, ils ont puede measurer la precisión du sistème.

Choi et ses collègues se sont demandé s’ils pouvaient utiliser une approche aléatoire similaire pour évaluer la fidélité des simulateurs analogiques quantiques. Mais il y avait un impediment qu’ils devaient franchir: contrairement au système quantique númerica de Google, les atomes individuels et autres qubits dans les simulateurs analogiques sont incroyably difficiles à manipuler et donc à trôler de manière aléatoire.

However because of a modeling theorique, Choi is rendu compte that the collective impact of the person manipulation of qubits within the Google system may very well be reproduced in a quantum analogue simulator in laissant merely the qubits evolve naturally.

“We now perceive that our planes haven’t been in a position to conceive of their random conduct,” Choi declared. «Sans réglage fin, nous pouvons merely laissez la dynamique naturelle des simulateurs quantiques évoluer, et le résultat conduirait à un schéma similaire d’aléatoire du au chaos. »

construct on belief

As a particularly simplified instance, think about a system of 5 qubits. Chaque qubit can exist concurrently as 0 or 1, jusqu’à ce qu’une measure soit effectuée, après quoi les qubits s’installent dans l’un ou l’autre état. With no quantity that’s measured, the qubits can tackle one in every of 32 totally different combos: 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1, and many others.

“Ces 32 configurations are produced with a sure distribution of chance, which, in line with the genes, devrait être similaire aux prédictions de la physique statistique”, explains Choi. « Nous montrons qu’ils sont d’accord en moyenne, mais il ya des écarts et des fluctuations qui présentent un caractère aléatoire universel que nous ne connaissions pas. Et ce caractère aléatoire a la même side que si vous écutiez ces opérations aléatoires que Google a effectuées. »

The chercheurs ont émis l’hypothese that they may develop a numerical simulation that exactly represents the dynamique et les fluctuations random universelles of a quantum simulator, it’s attainable to check the expected outcomes with the true outcomes of the simulator. Plus les deux sont proches, plus le simulateur quantique doit être précis.

For this supreme tester, Choi is related to the Caltech experimenters, who’ve an analogue quantum simulator comprising 25 atoms. Les physiciens ont bracé un laser sur l’expérience pour exciter collectivement les atomes, pois ont laissez le qubits interactir naturellement et évoluer au fil du temps. Ils ont mesuré l’état de chaque qubit sur plusieurs exécutions, rasemblant 10 000 mesures au whole.

Choi et ses collègues ont également developpé un modèle numérique pour representer la dynamique quantique de l’expérience et ont integrated an equation qu’ils ont dérivée pour prédire les fluctuations aléatoires universelles qui devraient arisen. The chercheurs ont ensuite I in contrast the experimental measurements with the expected outcomes of the mannequin and ont noticed a correspondence très étroite – une preuve solide that ce simulateur particulier peut être thought of comme reflétant un comportement mécanique quantique pur.

Moreover, the outcomes show a brand new façon de caractériser presque all the prevailing quantified analogue simulateurs.

« The power to characterize the quantified units constitutes a helpful three-basic method to construct essentially the most quantum methods in plus grandes, plus précis and complexes », declared Choi. « With our utility, the individuals cannot know in the event that they work with a dependable system. »

This analysis is funded, partially, by the US Nationwide Science Basis, the Protection Superior Analysis Tasks Company, the Military Analysis Workplace and the Division of Vitality.

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