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东方不亮西方亮 精选

已有 4461 次阅读 2021-2-24 11:03 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

东方不亮西方亮

诸平

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A new paper seeking to cure a time restriction in quantum annealing computers instead opened up a class of new physics problems that can now be studied with quantum annealers without requiring they be too slow.

据美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Los Alamos National Laboratory2021222日提供的消息,一篇试图解决量子退火计算机中时间限制的新论文,反而提出了一类新的物理问题,现在可以使用量子退火器研究它们,而又不需要太慢。虽然量子位缺乏对称性无法解决量子计算中的错误,但可以解释物质/反物质不平衡。基布尔-楚雷克(Kibble-Zurek)理论中的意外扭曲为解决关于物质/反物质不对称性和同位素分离的两个著名的物理问题提供了一种新方法。

位于美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的国家实验室,2021222日在其网站上发布信息,一群试图用量子退火计算机解决基本问题的量子理论家,他们必须以相对较慢的速度运行才能正常运行,反而发现了一些有趣的东西。在研究量子退火器以比预期更快的速度运行时的表现时,研究小组意外地发现了一种新的效应,该效应可能解释了宇宙中物质和反物质的不平衡分配,以及一种分离同位素的新颖方法。相关研究结果于2021219日已经在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志网站发表——Bin Yan, Vladimir Y. Chernyak, Wojciech H. Zurek, Nikolai A. Sinitsyn. Nonadiabatic Phase Transition with Broken Chiral Symmetry. Physical Review Letters, 2021, 126, 070602 – Published 19 February 2021. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.070602

洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家尼古拉·辛尼辛(Nikolai Sinitsyn)说:尽管我们的发现不能解决退火时间的限制,但它带来了一类新的物理问题,现在可以用量子退火器研究它们,而又不必太慢。” 尼古拉·辛尼辛是219日发表在《物理评论快报》上的论文的通讯作者,该论文的参与者还有洛斯阿拉莫斯国家实验室的严斌(Bin Yan音译)和沃伊切赫·楚雷克(Wojciech Zurek),以及美国韦恩州立大学(Wayne State University)的弗拉基米尔. 切尼亚克(Vladimir Chernyak)。重要的是,这一发现暗示着未来至少如何解决两个著名的科学问题。第一个就是宇宙中物质与反物质之间明显的不对称性。

尼古拉·辛尼辛说:“我们相信,对最近的实验进行的一些小的修改就足以证明我们的效果。这些实验是通过相变对由超冷原子组成的相互作用的量子位(qubits)进行量子退火(quantum annealing)。”

解释物质/反物质的差异Explaining the Matter/Antimatter Discrepancy

物质和反物质都是由宇宙诞生时产生的能量激发所产生的。物质和反物质相互作用的对称性被打破了,但非常微弱。与宇宙学上的反物质相比,这种微妙的差异如何导致观察到的物质占主导地位尚不完全清楚。

新发现的效果表明,这种不对称在物理上是可能的。当大型量子系统经过相变时,即量子态非常尖锐的重排时,就会发生这种情况。在这种情况下,强而对称的相互作用会大致相互补偿,细微而持久的差异可以起决定性的作用。

使量子退火仪足够慢Making Quantum Annealers Slow Enough

量子退火计算机(Quantum annealing computers)的构建是通过将变量与量子状态或量子位(qubit)相关联来解决复杂的优化问题。与经典计算机的二进位制不同,二进位制只能处于01的状态或值,而量子位(qubit)可以处于中间值的量子叠加。这就是所有量子计算机都可以获得其强大能力的地方,尽管它们的能力在很大程度上还未被充分利用。

在量子退火计算机中,首先通过施加强外部磁场,以简单的最低能量状态制备量子位。然后,该场被缓慢关闭,而量子位之间的相互作用被缓慢地打开。上述论文的第一作者严斌解释说:理想情况下,退火炉的运行速度足够慢,可以最大限度地减少误差,但是由于退相干(decoherence),因此必须更快地运行退火炉。” 该团队研究了退火炉以更快的速度运行时出现的影响,这将它们限制在有限的运行时间内。

尼古拉·辛尼辛说:根据量子力学的绝热定理,如果所有变化都非常缓慢,即所谓的绝热缓慢,那么量子位必须始终保持其最低能量状态。因此,当我们最终对其进行测量时,我们找到了所需的0s1s配置,该配置可最大程度地减少您所关注的功能,而这是现代经典计算机无法实现的。

被退相干困扰(Hobbled by Decoherence

不管怎样,目前可用的量子退火器(与到目前为止的所有量子计算机一样)由于它们的量子位与周围环境的相互作用而受到阻碍,这会导致退相干。这些相互作用将量子位的纯量子行为限制在大约百万分之一秒。在这个时间范围内,计算必须是快速的,非绝热的和多余的能量激发改变量子态,从而引入不可避免的计算错误。

沃伊切赫·楚雷克共同开发的基布尔-楚雷克(Kibble-Zurek)理论预测,当量子位遇到相变(即其集体量子态非常尖锐的重排)时,会发生最多的错误。

在本文中,研究小组研究了一种已知的可解模型,其中相同的量子位仅与沿链的邻居相互作用。该模型通过分析验证了基布尔-楚雷克理论。在理论家寻求解决量子退火计算机中有限的工作时间的问题中,他们假设量子位可以分成两组,每组中的相互作用相同,但来自不同组的量子位的相互作用稍有不同,从而增加了该模型的复杂性。

在这种混合中,他们发现了一种不寻常的效果:一组在通过相变过程中仍然产生了大量的能量激发,但是另一组保持在能量最小值,就好像系统根本没有经历相变一样。

尼古拉·辛尼辛解释说:我们使用的模型是高度对称的,以便可以求解,我们找到了一种扩展模型的方法,打破了这种对称性,仍然可以解决它。” “然后,我们发现,基布尔-楚雷克理论得以幸存,但存在一个扭曲-一半的量子位并没有消散能量,并且表现得很好。换句话说,他们保持了自己的基础状态。

不幸的是,量子位的另一半确实产生了许多计算错误。因此,到目前为止,对于量子退火计算机中相变通道的问题还尚未得到解决。

分离同位素的新方法(A New Way to Separate Isotopes

受益于这种效应的另一个长期存在的问题是同位素分离。例如,通常必须将天然铀分离为富同位素和贫同位素,这样富铀可用于核电或国家安全目的。当前的分离过程是昂贵且耗能的。所发现的效应意味着,通过使相互作用的超冷原子的混合物动态地通过量子相变,可以选择性地激发或不激发不同的同位素,然后使用可用的磁偏转技术将其分离。此项研究得到美国能源部(U.S. Department of Energy)、科学办公室(Office of Science)、基础能源科学(Basic Energy Sciences)、材料科学与工程部(Materials Sciences and Engineering Division)、凝聚态理论计划(Condensed Matter Theory Program)的支持下进行的。上述介绍仅供参考,更多信息请注意浏览原文或者相关报道

Abstract

We explore nonadiabatic quantum phase transitions in an Ising spin chain with a linearly time-dependent transverse field and two different spins per unit cell. Such a spin system passes through critical points with gapless excitations, which support nonadiabatic transitions. Nevertheless, we find that the excitations on one of the chain sublattices are suppressed in the nearly adiabatic regime exponentially. Thus, we reveal a coherent mechanism to induce exponentially large density separation for different quasiparticles.



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