양자 시뮬레이터

Quantum simulator
양자 시뮬레이터 결정의 이 사진에서 이온은 형광을 띠며 큐비트가 모두 같은 상태("1" 또는 "0")임을 나타냅니다.올바른 실험 조건 하에서 이온 결정은 자연히 거의 완벽한 삼각 격자 구조를 형성합니다.크레딧: 브리튼/NIST
갇힌 이온 양자 시뮬레이터 그림:시뮬레이터의 심장은 베릴륨 이온의 2차원 결정(그래픽의 파란색 구)이며, 각 이온의 가장 바깥쪽 전자는 양자 비트(큐비트, 빨간색 화살표)입니다.이온은 페닝 트랩(표시되지 않음)이라고 불리는 장치의 큰 자기장에 의해 제한됩니다.트랩 안에서 크리스털은 시계 방향으로 회전합니다.크레딧: 브리튼/NIST

양자 시뮬레이터는 프로그래밍 가능한 방식으로 양자 시스템을 연구할 수 있게 한다.이 경우 시뮬레이터는 특정 물리 [1][2][3]문제에 대한 통찰력을 제공하도록 설계된 특수 목적 장치입니다.양자 시뮬레이터는 일반적으로 프로그램 가능한 "디지털" 양자 컴퓨터와 대조될 수 있으며, 이는 보다 광범위한 종류의 양자 문제를 해결할 수 있습니다.

범용 양자 시뮬레이터는 1980년 유리[4] 마닌과 [5]1982년 리처드 파인만이 제안한 양자 컴퓨터이다.파인만은 고전 튜링 기계는 양자 효과를 시뮬레이션할 수 없는 반면, 그의 가설적인 범용 양자 컴퓨터는 필요한 양자 효과를 [5][6]모방할 수 있다는 것을 보여주었다.

많은 입자로 이루어진 양자 시스템은 원래 [5]시스템의 입자 수와 유사한 다수의 양자 비트를 사용하여 양자 컴퓨터에 의해 시뮬레이션될 수 있습니다.이것은 훨씬 더 큰 종류의 양자 [7][8][9][10]체계로 확장되었다.

양자 시뮬레이터는 초콜드 양자 가스, 극성 분자, 포획 이온, 광전자 시스템, 양자 점, 초전도 [11]회로를 포함한 많은 실험 플랫폼에서 실현되었습니다.

물리 문제의 해결

물리학의 많은 중요한 문제들, 특히 저온 물리학과 다체 물리학은 기초가 되는 양자 역학이 매우 복잡하기 때문에 잘 이해되지 않고 있습니다.슈퍼컴퓨터를 포함한 기존의 컴퓨터는 30개 정도의 입자를 가진 양자 시스템을 시뮬레이션하기에는 불충분하다.수백 개의 [2][3]입자의 집단 양자 거동에 따라 특성이 달라지는 재료를 이해하고 합리적으로 설계하려면 더 나은 계산 도구가 필요합니다.양자 시뮬레이터는 이러한 시스템의 속성을 이해하기 위한 대체 경로를 제공합니다.이러한 시뮬레이터는 특정 관심 시스템을 명확하게 구현하여 해당 속성을 정확하게 구현할 수 있도록 합니다.시스템의 파라미터에 대한 정확한 제어와 광범위한 조정가능성은 다양한 파라미터의 영향을 완전히 분리할 수 있도록 합니다.

양자 시뮬레이터는 실제 입자의 양자 특성을 직접 이용하기 때문에 고전 컴퓨터에서는 시뮬레이션하기 어려운 문제를 해결할 수 있다.특히, 그들은 중첩이라고 불리는 양자 역학의 특성을 이용합니다. 양자 입자는 두 개의 다른 상태에 동시에 있습니다. 예를 들어, 외부 자기장과 정렬되어 있고 반정렬되어 있습니다.결정적으로, 시뮬레이터는 또한 얽힘이라고 불리는 두 번째 양자 특성을 이용하여 물리적으로 잘 분리된 입자의 행동까지도 [2][3][12]상관시킬 수 있습니다.

최근 양자 시뮬레이터는 시간[13][14] 결정과 양자 스핀[15][16] 액체를 얻기 위해 사용되어 왔다.

트랩 이온 시뮬레이터

이온 트랩 기반 시스템은 양자 스핀 [17]모델에서 상호작용을 시뮬레이션하기 위한 이상적인 환경을 형성합니다.NIST가 포함된 팀이 만든 트랩 이온 시뮬레이터는 수백 개의 양자 비트(큐비트)[18] 간의 상호작용을 엔지니어링하고 제어할 수 있습니다.이전의 노력은 30 퀀텀 비트를 넘어설 수 없었습니다.이 시뮬레이터는 기존 기기보다 10배 이상 성능이 향상되었습니다.기존 컴퓨터로는 모델링할 수 없었던 재료과학 문제를 해결할 수 있는 능력을 나타내는 일련의 중요한 벤치마킹 테스트를 통과했습니다.

포획된 이온 시뮬레이터는 직경 1밀리미터 미만의 수백 개의 베릴륨 이온으로 이루어진 작은 단평면 결정으로 구성되어 있으며, 페닝 트랩이라고 불리는 장치 안에 맴돈다.각 이온의 가장 바깥쪽 전자는 작은 양자 자석으로 작용하며 기존의 컴퓨터에서는 "1" 또는 "0"에 해당하는 양자인 큐비트로 사용됩니다.벤치마킹 실험에서 물리학자들은 레이저 빔을 사용하여 이온을 절대 0에 가깝게 냉각시켰습니다.신중하게 시간을 맞춘 마이크로파와 레이저 펄스는 큐비트를 상호작용하게 하여 실험실에서 연구하기 매우 어려운 물질의 양자 거동을 모방했다.두 시스템이 겉으로는 서로 다른 것처럼 보일 수 있지만, 그 동작은 수학적으로 동일하도록 설계되어 있습니다.이와 같이 시뮬레이터를 통해 연구자는 원자 격자 간격이나 기하학 등 자연 고체에서는 변경할 수 없는 매개변수를 변경할 수 있습니다.

Friedenauer 등은 2 스핀을 단열적으로 조작하여 강자성 상태와 반강자성 상태로 분리하였다.[19]김(알., 3회전 동작에, 세계적인 반강자성의 Ising 상호 작용과(알., 강자성 상자성 orderin 사이에 단계의 전환의 세워야겠구나를 보여 주기 단열 양자 시뮬레이션을 사용했다 좌절과 entanglement[20]와 이슬람교 사이의 연관성은 보여 주는 좌절감을 특징으로가 갇혀 있는 이온 양자 시뮬레이터를 내밀었다.를 입수s 회전수가 2에서 [21]9로 증가했다.Barreiro 등은 개방 저장소와[22] 결합함으로써 최대 5개의 포획 이온과 상호작용하는 스핀의 디지털 양자 시뮬레이터를 만들었고, Lanyon 등은 최대 6개의 [23]이온으로 디지털 양자 시뮬레이션을 시연했다.이슬람 등은 최대 18개의 갇힌 이온 스핀과 가변(긴) 범위 상호작용으로 횡단 이징 모델의 단열 양자 시뮬레이션을 보여주며 반강자성 상호작용 [24]범위를 조정함으로써 스핀 좌절의 수준을 제어했다.NIST의 Britton 등은 양자 [18]자기 연구를 위해 수백 큐비트의 시스템에서 Ising 상호작용을 실험적으로 벤치마킹했다.Pagano 등은 대규모 이온 사슬의 장기 저장을 위해 설계된 새로운 극저온 이온 포획 시스템을 보고하여 최대 44개의 [25]이온 사슬에 대해 일관된 1 및 2qbit 작동을 입증했습니다.Joshi 등은 51개의 개별적으로 제어된 이온의 양자역학을 조사하여 장거리 상호작용 스핀 사슬을 [26]실현하였다.

울트라콜드 원자 시뮬레이터

많은 초강력 원자 실험은 양자 시뮬레이터의 예이다.여기에는 광학 격자의 보손이나 페르미온, 광 핀셋의 유니터리 페르미 가스, Rydberg 원자 어레이를 연구하는 실험이 포함됩니다.이러한 실험의 공통점은 허버드나 횡장 이싱 해밀턴과 같은 일반적인 해밀턴을 실현하는 능력이다.이러한 실험의 주요 목적은 이론적으로나 수치적으로 다루기 [27][28]어려운 문제인 저온 위상을 식별하거나 다양한 모델의 불균형 역학을 추적하는 것이다.다른 실험들은 Haldane 모델이나 Harper-Hofstadter [29][30][31][32][33]모델처럼 기존의 물질로는 실현하기 어렵거나 불가능한 응집 물질 모델을 실현했다.

초전도 큐비트

초전도 큐비트를 사용하는 양자 시뮬레이터는 크게 두 가지 범주로 나뉩니다.첫째, 이른바 양자 어닐러는 단열 경사로 이후에 특정 해밀턴인들의 지면 상태를 결정합니다.이 접근방식은 단열 양자 컴퓨팅이라고 불리기도 합니다.둘째, 많은 시스템이 특정 해밀턴을 에뮬레이트하고 그들의 지상 상태 특성, 양자 위상 전이 또는 시간 [34]역학을 연구합니다.최근 몇 가지 중요한 결과에는 종동방산 Bose-Hubbard 시스템에서 Mott 절연체의 실현과 큐비트에 [35][36]결합된 초전도 공진기의 격자에서 위상 전이에 대한 연구가 포함된다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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