В течение последних шести лет Лос-Аламосская национальная лаборатория лидирует в попытках понять один из самых неприятных барьеров, с которым сталкиваются вариационные квантовые вычисления: плоскогорье застоя.
Марко Серезо, ведущий учёный команды из Лос-Аламоса, объясняет:
«Представьте себе ландшафт из пиков и долин. При оптимизации вариационного или параметризованного квантового алгоритма нужно настроить ряд регуляторов, которые контролируют качество решения и перемещают вас по ландшафту. Пик здесь представляет плохое решение, а долина — хорошее. Но когда исследователи разрабатывают алгоритмы, они иногда обнаруживают, что их модель зашла в тупик и не может ни подняться, ни спуститься. Она застряла в пространстве, которое мы называем плоским плато».
Для этих методов квантовых вычислений плоские плато могут быть математическими тупиками, препятствующими их реализации в крупномасштабных реалистичных задачах. Учёные потратили много времени и ресурсов на разработку квантовых алгоритмов, только чтобы обнаружить, что иногда они необъяснимо останавливаются.
Новый обзорный материал, опубликованный в Nature Reviews Physics, представляет наиболее полный на сегодняшний день обзор причин возникновения плоских плато, способов их предсказания и потенциальных путей решения.
Мартин Ларокка, автор исследования из группы физики конденсированных сред и сложных систем лаборатории, говорит: «Плоские плато — не единственная проблема, с которой сталкиваются вариационные квантовые вычисления, но сейчас это главная проблема. С помощью этой статьи мы хотим передать сообществу то, что мы узнали о плоских плато, и показать, что мы понимаем это явление».
В новой обзорной статье команда из Лос-Аламоса и сообщество учёных из разных уголков мира, как из частных, так и из государственных учреждений, представляют подробный анализ плоских плато после шести лет интенсивных исследований.
Впервые в этой статье собраны различные представления о плоских плато и определены их причины, такие как проклятие размерности (проблема, возникающая при анализе данных в многомерных пространствах) или наличие шума, среди прочего.
Команда обсуждает различные архитектуры квантовых алгоритмов, склонные к возникновению плоских плато, и те, которые могут их избежать. Это стало возможным благодаря тому, что та же команда учёных из лаборатории разработала первое уравнение для определения того, столкнётся ли квантовый алгоритм с плоским плато. Это, в свою очередь, позволило учёным из лаборатории связать отсутствие плоских плато с деквантизацией алгоритмов, то есть с тем, что они могут работать не лучше, чем их классические аналоги.
### Квантовая память с произвольным доступом на основе трансом-управляемых фононных маршрутизаторов
Недавние технологические достижения открыли новые захватывающие возможности для разработки передовых квантовых устройств, включая системы квантовой памяти с произвольным доступом (QRAM). Это архитектуры памяти, специально предназначенные для интеграции внутри квантовых компьютеров, которые могут одновременно извлекать данные из нескольких «локаций», используя квантовый эффект, известный как когерентная суперпозиция.
В статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи из Чикагского университета представили новую архитектуру QRAM, основанную на трансом-управляемом фононом-маршрутизаторе. Трансоны — это типы сверхпроводящих квантовых битов (то есть кубитов), известных своей устойчивостью к некоторым видам шума. Эти биты использовались для управления поверхностными акустическими волнами — фононами, вибрациями или звуковыми частицами, которые распространяются по поверхности материалов, направляя их в нужные места.
### Новый класс «X-тип» антиферромагнетиков обеспечивает подрешёточный селективный перенос спина
Исследовательская группа под руководством профессора Шао Динфу из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук предсказала новый класс антиферромагнитных материалов с уникальными поперечно-цепочечными структурами, названными «X-тип антиферромагнетики». Эти материалы демонстрируют подрешёточный селективный перенос спина и нетрадиционную магнитную динамику, открывая новые возможности для создания спинтронных устройств следующего поколения.
Работа опубликована в Newton и бросает вызов традиционным представлениям о коллективном атомном поведении в твёрдых телах, обещая трансформационные приложения в электронике следующего поколения.
Непрецедентная сеть оптических часов закладывает основу для переопределения секунды
В новом исследовании учёные провели наиболее масштабное скоординированное сравнение оптических часов, одновременно управляя часами и соединяющими их каналами связи в шести странах. Эксперимент, охватывающий тысячи километров, представляет собой значительный шаг к переопределению секунды и, в конечном итоге, установлению глобальной оптической шкалы времени.
Точные сигналы времени и частоты, предоставляемые атомными часами, необходимы для многих повседневных технологий — таких как GPS, управление энергосистемами и синхронизация финансовых транзакций.
Оптические часы — это тип атомных часов, который использует лазеры для возбуждения атомов контролируемым образом, заставляя атомы переходить между определёнными энергетическими уровнями. Эти сдвиги происходят на очень точных частотах, которые служат «тиками» часов.
### Q&A: Физика и ценность научного разочарования
Золтан Фодор, физик-теоретик из Пенсильванского государственного университета, и его международная исследовательская группа пять лет назад опубликовали результаты своих обширных расчётов силы магнитного поля вокруг мюона — субатомной частицы, похожей на электрон, но более тяжёлой. Их результаты впервые устранили разрыв между теорией и экспериментальными измерениями, приведя их в соответствие со Стандартной моделью — хорошо проверенной физической теорией, которая десятилетиями направляла физику элементарных частиц.
Однако новое экспериментальное исследование, опубликованное в тот же день, показало сильное расхождение между теорией и экспериментом. Это было интерпретировано большинством физиков как признак новой физики, и многие физики скептически отнеслись к результатам Фодора, надеясь, что результаты других групп окажутся верными.
В интервью Фодор обсуждает свою работу над квантовой теорией, окружающей мюоны, ценность инвестиций в фундаментальные исследования и почему даже разочарование является ценной частью научных открытий.