Международная группа исследователей под руководством учёных из GSI/FAIR в Дармштадте, Германия, изучила синтез элементов через r-процесс в измерениях, проведённых в канадском исследовательском центре TRIUMF в Ванкувере. В центре внимания — первые массовые измерения трёх чрезвычайно богатых нейтронами изотопов олова: олова-136, олова-137 и олова-138. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Высокоточные измерения в сочетании с расчётами сети нуклеосинтеза помогают лучше понять, как образуются тяжёлые элементы во Вселенной, особенно через процесс быстрого захвата нейтронов (r-процесс), происходящий при слиянии нейтронных звёзд.
Данные показывают энергию отделения нейтронов, которая определяет путь r-процесса на ядерной карте. Исследование обнаружило неожиданные изменения в поведении ядер олова за магическим числом нейтронов N=82, в частности, снижение эффекта спаривания последних двух нейтронов.
«Эти изменения могут повлиять на путь r-процесса на ядерной карте и даже изменить предел стабильности в этой области карты нуклидов», — объясняет доктор Али Моллаебрахими, первый автор публикации и представитель эксперимента.
Новый метод для моделирования квантовых вычислений с коррекцией ошибок
Квантовые компьютеры всё ещё сталкиваются с серьёзным препятствием на пути к практическому применению: их ограниченной способностью исправлять возникающие вычислительные ошибки. Для разработки действительно надёжных квантовых компьютеров исследователи должны иметь возможность моделировать квантовые вычисления с помощью обычных компьютеров, чтобы проверять их правильность — жизненно важная, но чрезвычайно сложная задача.
Теперь, впервые в мире, исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции, Миланского университета, Университета Гранады и Университета Токио представили метод моделирования определённых типов квантовых вычислений с коррекцией ошибок. Это значительный шаг вперёд в поисках надёжных квантовых технологий.
Квантовые компьютеры способны решать сложные задачи, с которыми не справляются современные суперкомпьютеры. В обозримом будущем вычислительная мощность квантовых технологий, как ожидается, произведёт революцию в фундаментальных способах решения проблем в медицине, энергетике, шифровании, искусственном интеллекте и логистике.
Однако технология сталкивается с серьёзной проблемой: необходимостью исправлять ошибки, возникающие при квантовых вычислениях. Хотя обычные компьютеры также допускают ошибки, их можно быстро и надёжно исправить с помощью устоявшихся методов, прежде чем они вызовут проблемы. В отличие от этого, квантовые компьютеры подвержены гораздо большему количеству ошибок, которые сложнее обнаружить и исправить.
Исследователи из Технологического университета Чалмерса, Миланского университета, Университета Гранады и Университета Токио первыми в мире представили метод точного моделирования определённого типа квантовых вычислений, который особенно подходит для коррекции ошибок, но который до сих пор было очень трудно смоделировать.
«Мы обнаружили способ моделирования специфического типа квантовых вычислений, где предыдущие методы не были эффективны. Это означает, что теперь мы можем моделировать квантовые вычисления с кодом коррекции ошибок, используемым для обеспечения отказоустойчивости, что имеет решающее значение для создания более совершенных и надёжных квантовых компьютеров в будущем», — говорит Кэмерон Кэлклэф, доктор философии в области прикладной квантовой физики в Чалмерсе и первый автор исследования, недавно опубликованного в Physical Review Letters.
Ограниченная способность квантовых компьютеров исправлять ошибки обусловлена их фундаментальными строительными блоками — кубитами, которые обладают потенциалом огромной вычислительной мощности, но также и высокой чувствительностью. Вычислительная мощность квантовых компьютеров основана на квантово-механическом явлении суперпозиции, означающем, что кубиты могут одновременно удерживать значения 1 и 0, а также все промежуточные состояния в любой комбинации.
«Наименьшее количество шума из окружающей среды в виде вибраций, электромагнитного излучения или изменения температуры может привести к тому, что кубиты будут производить неверные расчёты или даже потеряют своё квантовое состояние, свою когерентность, тем самым потеряв способность продолжать вычисления», — говорит Кэлклэф.
Для решения этой проблемы используются коды коррекции ошибок для распределения информации по нескольким подсистемам, что позволяет обнаруживать и исправлять ошибки без уничтожения квантовой информации. Один из способов — кодирование квантовой информации кубита в нескольких — возможно, бесконечных — энергетических уровнях колеблющейся квантово-механической системы. Это называется бозонным кодом.
Однако моделирование квантовых вычислений с бозонными кодами особенно сложно из-за множественных энергетических уровней, и исследователи не могли надёжно моделировать их с помощью обычных компьютеров — до сих пор.
Метод, разработанный исследователями, состоит из алгоритма, способного моделировать квантовые вычисления, использующие тип бозонного кода, известного как код Готтесмана-Китаева-Прескилла (GKP). Этот код широко используется в ведущих реализациях квантовых компьютеров.
«Способ хранения квантовой информации облегчает квантовым компьютерам коррекцию ошибок, что, в свою очередь, делает их менее чувствительными к шуму и возмущениям. Из-за своей глубоко квантово-механической природы коды GKP было чрезвычайно трудно моделировать с помощью обычных компьютеров», — говорит Джулия Феррини, доцент кафедры прикладной квантовой физики в Чалмерсе и соавтор исследования.
Благодаря новому методу исследователи могут более надёжно тестировать и проверять расчёты квантового компьютера.
«Это открывает совершенно новые способы моделирования квантовых вычислений, которые мы ранее не могли протестировать, но которые имеют решающее значение для создания стабильных и масштабируемых квантовых компьютеров», — говорит Феррини.