Analog quantum simulation of bosonic and anyonic models with flux-driven transmons

De natuur is vol van systemen waarbij veel kleine onderdelen met elkaar interageren, wat gedragingen creëert die veel te complex zijn voor zelfs de krachtigste klassieke computers om te voorspellen. Wanneer deeltjes zoals atomen of elektronen dicht op elkaar gepakt zitten, treden ze niet alleen op als individuen; ze vormen een collectief geheel met nieuwe eigenschappen, zoals superfluiditeit, waarbij materie zonder wrijving stroomt. Om deze mysteries te begrijpen, wenden wetenschappers zich vaak tot kwantumsimulatie. In plaats van te proberen elke interactie op een scherm te berekenen, bouwen ze een controleerbare kwantummachine die het doel systeem nabootst. Door te observeren hoe deze machine evolueert, kunnen ze de fysica van het onbekende direct waarnemen. Deze aanpak is bijzonder waardevol voor het bestuderen van exotische deeltjes genaamd anyonen, die alleen in twee dimensies bestaan en regels van interactie volgen die vreemder zijn dan die van gewone materie, en voor het verkennen van hoe deeltjes door een rooster bewegen wanneer ze tegen elkaar botsen.

Een team onderzoekers aan de Chalmers University of Technology in Zweden heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om een dergelijke simulator te bouwen met behulp van supergeleidende circuits. Hun werk richt zich op een specifiek type kwantumbit dat bekend staat als een transmon, een piepkleine lus van supergeleidende draad met een junctie die elektronen door een isolator laat tunnelen. In een standaardcomputer worden deze apparaten meestal behandeld als eenvoudige tweeniveausystemen, maar de onderzoekers realiseerden zich dat als ze toegang krijgen tot hun hogere energieniveaus, ze kunnen fungeren als een platform voor het simuleren van complexe bosonische modellen. Het team stelde voor dat door de frequentie van deze transmons zorgvuldig te moduleren met een oscillerend magnetisch veld, ze de apparaten op een zeer specifieke manier kunnen laten interageren. Deze modulatie creëert een brug tussen verschillende energietoestanden, waardoor de onderzoekers kunnen afstemmen hoe sterk de deeltjes elkaar afstoten en hoe gemakkelijk ze van de ene naar de andere plek op een rooster springen.

De kern van de ontdekking ligt in de manier waarop de onderzoekers het systeem aansturen. In plaats van de transmons met rust te laten, passen ze een ritmische duw toe op hun frequenties, waarbij ze het patroon over het rooster variëren. Deze drijvende kracht resoneert met de natuurlijke energiekloven tussen de verschillende toestanden van de deeltjes. Door de snelheid en de sterkte van deze aandrijving aan te passen, kunnen de wetenschappers de deeltjes laten gedragen alsof ze de regels van het Bose-Hubbard-model volgen, een beroemde theorie die beschrijft hoe bosonen, een klasse deeltjes die dezelfde ruimte kunnen delen, zichzelf organiseren. In hun voorstel toonden zij aan dat het mogelijk is om een rooster te simuleren waarbij tot drie deeltjes een enkele plek kunnen bezetten, een significante stap voorwaarts ten opzichte van eerdere pogingen die beperkt waren tot slechts twee. Ze kunnen ook de interactiekracht afstemmen, waardoor ze de afstoting tussen deeltjes effectief aan of uit kunnen zetten, wat hen in staat stelt om verschillende fasen van materie te verkennen, van een vloeistofachtige staat tot een rigide, isolerende staat.

Het meest vernieuwende aspect van dit werk is het voorstel om anyonen te simuleren, deeltjes die niet in de standaardcategorieën van bosonen of fermionen passen. Wanneer twee identieke deeltjes worden verwisseld, blijven bosonen onveranderd, terwijl fermionen van teken veranderen. Anyonen kunnen echter een complexe faseverschuiving verkrijgen, een soort interne rotatie, wanneer ze van plaats wisselen. De onderzoekers ontdekten dat door een specifieke fase-offset toe te voegen aan het drijfsignaal op elke transmon, ze deze exotische uitwisselingsregels direct in de hardware konden programmeren. Dit stelt het systeem in staat om het gedrag van interagerende anyonen na te bootsen, inclusief hun neiging om asymmetrische paden te vormen wanneer ze bewegen, een fenomeen dat bekend staat als een asymmetrische kwantumwandeling. Het team verifieerde hun voorstel via gedetailleerde numerieke simulaties met parameters die realistisch zijn voor de huidige laboratoriumapparatuur. Deze simulaties bevestigden dat de gedreven transmon-array de karakteristieke dynamica van de doelmodellen getrouw reproduceert, inclusief de manier waarop deeltjes lokaliseren wanneer interacties sterk zijn en de unieke statistische patronen die voortkomen uit anyonisch gedrag.

De onderzoekers merken er voorzichtig bij op dat hun bevindingen gebaseerd zijn op simulaties en theoretische protocollen, en nog niet op een fysiek experiment. Ze hebben aangetoond dat de methode werkt in een computermodel met experimenteel realistische waarden, zoals frequenties rond de 4,5 gigahertz en koppelingssterktes van 6 tot 15 megahertz. De simulaties bevatten de volledige complexiteit van de hardware, rekening houdend met het feit dat echte apparaten extra energieniveaus hebben en dat de drijvende krachten ongewenste ruis kunnen introduceren. Ondanks deze uitdagingen suggereren de resultaten dat de aanpak robuust genoeg is om de essentiële fysica van de doelmodellen te vangen. Het team benadrukte ook een praktische beperking: de simulatie is het meest betrouwbaar wanneer het aantal deeltjes in het systeem laag genoeg wordt gehouden, zodat de transmons niet in energietoestanden worden geduwd die te hoog zijn om te meten of te controleren. Voor het anyon-model betekent dit het beperken van het systeem tot twee deeltjes per site, terwijl het bosonische model tot drie kan omgaan.

Dit werk opent een pad naar het gebruik van supergeleidende circuits, die al voorop lopen in de ontwikkeling van kwantumcomputers, om fundamentele vragen in de veel-deeltjes-fysica te bestuderen. Door te bewijzen dat deze circuits kunnen worden afgestemd om zowel standaard bosonische systemen als de meer exotische anyonische systemen te simuleren, bieden de onderzoekers een veelzijdig instrument voor het verkennen van kwantummaterie. Het vermogen om de interactiekracht en de statistische fase van de deeltjes op aanvraag te controleren, betekent dat wetenschappers potentieel faseovergangen en andere collectieve verschijnselen kunnen observeren die momenteel buiten bereik liggen. Hoewel het artikel niet beweert het probleem van het perfect simuleren van deze systemen te hebben opgelost, biedt het een concreet en flexibel blauwdruk voor het doen daarvan, wat suggereert dat de volgende generatie kwantumsimulatoren gebouwd kan worden met precies dezelfde hardware die bedoeld is voor kwantumcomputatie.