Scienziati russi hanno dimostrato sperimentalmente l'esistenza di un nuovo tipo di quasiparticella, eccitazioni precedentemente sconosciute di coppie accoppiate di fotoni in catene di qubit. Questa scoperta potrebbe essere un passo avanti verso metamateriali quantistici resistenti al disordine. Lo studio è stato pubblicato su Revisione fisica B .

I qubit superconduttori sono oggi una delle principali modalità di qubit che viene attualmente perseguita dall'industria e dal mondo accademico per le applicazioni di calcolo quantistico. Però, le prestazioni dei computer quantistici sono in gran parte influenzate dalla decoerenza che contribuisce alla durata estremamente breve di un qubit e causa errori di calcolo. Un'altra sfida importante è la bassa controllabilità di grandi array di qubit.

I simulatori quantistici di metamateriali forniscono un approccio alternativo all'informatica quantistica, in quanto non richiedono una grande quantità di elettronica di controllo. L'idea alla base di questo approccio è creare materia artificiale dai qubit, la cui fisica obbedirà alle stesse equazioni di qualche materia reale. Al contrario, puoi programmare il simulatore in modo tale da incorporare materia con proprietà che non sono ancora state scoperte in natura.

Gli array di qubit superconduttori sono generalmente descritti dal modello di Bose-Hubbard. Una caratteristica interessante del modello di Bose-Hubbard è l'emergere di coppie di bosoni legati (dobloni) causate dalla forte non linearità quantistica. La fisica topologica dei dobloni è stata ampiamente esplorata in una serie di recenti lavori teorici. Però, l'indagine sperimentale delle proprietà topologiche delle coppie di fotoni legati è ancora carente.

Un gruppo di scienziati di NUST MISIS, Centro quantistico russo, Università ITMO, Università tecnica statale Bauman di Mosca, Il Dukhov Automatics Research Institute (VNIIA) e lo Ioffe Institute hanno utilizzato una serie di qubit superconduttori per progettare un simulatore quantistico. I quanti utilizzano l'entanglement e i comportamenti a molte particelle per esplorare e risolvere problemi scientifici difficili, ingegneria, e problemi di calcolo.

"Registrando le proprietà dei qubit, possiamo trarre conclusioni su una classe più ampia di sistemi fisici descritti dalle stesse equazioni. E se possiamo cambiare i parametri di queste equazioni in modo controllato, quindi un tale dispositivo può essere considerato un "simulatore specializzato". Certo, la sua programmabilità non è la stessa di quella di un computer quantistico, ma il suo ridimensionamento richiede un numero significativamente inferiore di risorse, " spiega l'autore principale dello studio Ilya Besedin, ricercatore junior presso il NUST MISIS Laboratory of Superconducting Metamaterials.

Gli scienziati hanno progettato una serie di qubit transmoni superconduttori con accoppiamento alternato. A causa dell'alternanza di legami forti e deboli, in questo sistema compaiono due zone e uno stato limite. Questo stato è classificato come topologico. Inoltre, l'esperimento mostra che anche i dobloni formano uno stato limite.

"Siamo stati in grado di vedere come i dobloni formano queste zone, e siamo anche riusciti a rilevare come appariva uno stato di edge doublon sul bordo superiore della zona doublon mentre aumentavamo la lunghezza dell'array, " nota Ilya Besedin.

Così, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare per la prima volta che un nuovo tipo di quasiparticelle, le eccitazioni topologiche di dobloni, possono sorgere nelle catene di qubit.

"La ricerca sui qubit superconduttori e sui circuiti quantistici è attualmente in corso in molti paesi del mondo, e la concorrenza in questo settore sta crescendo. Questo studio su 11 qubit mostra che la Russia ha raggiunto un alto livello di sviluppo scientifico nel campo dell'informatica quantistica superconduttiva, " nota il prof. Alexey Ustinov, Capo del Laboratorio per i Metamateriali Superconduttori presso NUST MISIS e Capo Gruppo presso il Russian Quantum Center, che ha co-autore dello studio.