Cientistas russos provaram experimentalmente a existência de um novo tipo de quasipartícula - excitações até então desconhecidas de pares acoplados de fótons em cadeias de qubit. Esta descoberta pode ser um passo em direção a metamateriais quânticos robustos à desordem. O estudo foi publicado em Revisão Física B .

Os qubits supercondutores são uma modalidade de qubit líder atualmente, que está sendo buscada pela indústria e pela academia para aplicações de computação quântica. Contudo, o desempenho dos computadores quânticos é amplamente afetado pela decoerência, que contribui para a vida útil extremamente curta de um qubit e causa erros computacionais. Outro grande desafio é a baixa controlabilidade de grandes matrizes de qubit.

Simuladores quânticos de metamateriais fornecem uma abordagem alternativa para computação quântica, pois eles não requerem uma grande quantidade de componentes eletrônicos de controle. A ideia por trás dessa abordagem é criar matéria artificial a partir de qubits, cuja física obedecerá às mesmas equações que para alguma matéria real. Por outro lado, você pode programar o simulador de forma a incorporar a matéria com propriedades que ainda não foram descobertas na natureza.

Arranjos de qubits supercondutores são geralmente descritos pelo modelo de Bose-Hubbard. Uma característica interessante do modelo de Bose-Hubbard é o surgimento de pares de bósons ligados (duplões) causados ​​pela forte não linearidade quântica. A física topológica dos doublons foi extensivamente explorada em uma série de trabalhos teóricos recentes. Contudo, a investigação experimental das propriedades topológicas dos pares de fótons ligados ainda está faltando.

Um grupo de cientistas do NUST MISIS, Russian Quantum Center, ITMO University, Bauman Moscow State Technical University, O Dukhov Automatics Research Institute (VNIIA) e o Ioffe Institute usaram uma série de qubits supercondutores para projetar um simulador quântico. Quantum utiliza emaranhamento e comportamentos de muitas partículas para explorar e resolver dados científicos concretos, Engenharia, e problemas computacionais.

"Ao registrar as propriedades dos qubits, podemos tirar conclusões sobre uma classe mais ampla de sistemas físicos descritos pelas mesmas equações. E se pudermos alterar os parâmetros dessas equações de forma controlada, então, tal dispositivo pode ser considerado um "simulador especializado". Claro, sua programabilidade não é a mesma de um computador quântico, mas seu dimensionamento requer significativamente menos recursos, "explica o autor principal do estudo Ilya Besedin, pesquisador júnior do Laboratório de Metamateriais Supercondutores do NUST MISIS.

Os cientistas projetaram uma série de qubits transmon supercondutores com acoplamento alternado. Devido à alternância de laços fortes e fracos, duas zonas e um estado de borda aparecem neste sistema. Este estado é classificado como topológico. Além disso, o experimento mostra que os doublons também formam um estado de borda.

"Pudemos ver como os doublons formam essas zonas, e ainda conseguimos detectar como um estado de doublon de borda apareceu na borda superior da zona de doublon conforme aumentamos o comprimento da matriz, "observa Ilya Besedin.

Assim, os cientistas foram capazes de demonstrar pela primeira vez que um novo tipo de quasipartículas - excitações topológicas duplas - podem surgir em cadeias de qubit.

"Pesquisas sobre qubits supercondutores e circuitos quânticos estão em andamento em muitos países ao redor do mundo, e a competição nesta área está crescendo. Este estudo em 11 qubits mostra que a Rússia atingiu um alto nível de desenvolvimento científico no campo da computação quântica supercondutora, "observa o Prof. Alexey Ustinov, Chefe do Laboratório de Supercondução de Metamateriais na NUST MISIS e Chefe do Grupo no Russian Quantum Center, coautor do estudo.