Μια... κβαντική πεταλούδα με την υπογραφή Έλληνα φυσικού. Butterfly pattern emerges from quantum simulation

Η κβαντική πεταλούδα ανοίγει τα φτερά της στις κβαντικές εφαρμογές. The computational processing power of quantum bits (qubits) is poised to have profound impacts on diverse fields of science and engineering. Using 9 superconducting qubits, researchers at Google and the University of California Santa Barbara, the National University of Singapore and Technical University of Crete, were able to simulate the intricate energy spectrum predicted for 2-D electrons in a magnetic field, the Hofstadter butterfly. This graphic is based on experimental data. Credit: Visual Science/Google

Ερευνητές της Google, του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια και του Πολυτεχνείου Κρήτης, με επικεφαλής έναν Έλληνα φυσικό, χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό προσομοιωτή σε ένα κβαντικό επεξεργαστή της Google, για να δημιουργήσουν μια κβαντική... πεταλούδα.

The computational processing power of quantum bits (qubits) is poised to have profound impacts on diverse fields of science and engineering. The picture is a photograph of a superconducting chip (area of entire chip: 1 cm2) consisting of 9 qubits in a 1-D array. Microwave pulses are applied to control the states of the qubits and their interaction and control the dynamics in the system. Such Josephson-junction based superconducting systems are a leading physical implementation for quantum computation and simulation processing. Credit: Erik Lucero, Google

Οι κβαντικοί προσομοιωτές είναι κβαντικοί υπολογιστές συγκεκριμένου σκοπού που βασίζονται σε κβαντικά «τσιπάκια» και θα βοηθήσουν μελλοντικά τους επιστήμονες, μεταξύ άλλων πρακτικών εφαρμογών, να ανακαλύψουν υλικά με εξωτικές και χρήσιμες ιδιότητες. Το νέο επίτευγμα αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προόδου προς αυτή την κατεύθυνση, καθώς δείχνει ότι οι κβαντικοί προσομοιωτές αρχίζουν πλέον να λειτουργούν ως ισχυρά εργαλεία.

Η πεταλούδα Hofstadter

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Δημήτρη Αγγελάκη, αναπληρωτή καθηγητή του Πολυτεχνείου Κρήτης και συνεργαζόμενο ερευνητή του Κέντρου Κβαντικών Τεχνολογιών της Σιγκαπούρης, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό "Science", χρησιμοποίησαν φωτόνια στον κβαντικό επεξεργαστή της Google για να προσομοιώσουν το σχήμα της λεγόμενης «πεταλούδας Χοφστάντερ», μιας όμορφης γεωμετρικής μορφοκλασματικής δομής (φράκταλ), που χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε ισχυρά μαγνητικά πεδία.

«Πάντα είχαμε την ιδέα ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα φωτόνια για να προσομοιώσουμε και να κατανοήσουμε καλύτερα τη φύση. Η ερευνητική συνεργασία μας πετυχαίνει πλέον κάτι τέτοιο στην πράξη», δήλωσε ο Αγγελάκης, ο οποίος συνεργάσθηκε με ομάδα ερευνητών της Google και του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια-Σάντα Μπάρμπαρα με επικεφαλής τον πρωτοπόρο της κβαντικής υπολογιστικής τεχνολογίας καθηγητή Τζον Μαρτίνις.

The computational processing power of quantum bits (qubits) is poised to have profound impacts on diverse fields of science and engineering. Using 9 superconducting qubits, researchers at Google and the University of California Santa Barbara, the National University of Singapore and Technical University of Crete, were able to simulate the intricate energy spectrum predicted for 2-D electrons in a magnetic field, the Hofstadter butterfly. This graphic is based on experimental data. Credit: Visual Science/Google

Ο επεξεργαστής της Google διέθετε μια αλυσίδα εννέα υπεραγώγιμων κβαντικών δυφίων (quantum bits ή qubits). Η «πεταλούδα Hofstadter» είχε εμφανισθεί για πρώτη φορά το 1976, σε υπολογισμούς ηλεκτρονίων σε ένα δισδιάστατο υλικό με ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Η πεταλούδα απεικονίζει τις μεταβολές στα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων, καθώς μεταβάλλεται η ισχύς του μαγνητικού πεδίου.

Στην κβαντική προσομοίωση τα φωτόνια έπαιξαν το ρόλο των ηλεκτρονίων, ενώ οι «πύλες» των qubits ήσαν το ανάλογο ενός μαγνητικού πεδίου. Το φράκταλ της κβαντικής πεταλούδας προέκυψε, καθώς οι ερευνητές έκαναν τις σχετικές μετρήσεις με τη βοήθεια μιας νέας φασματοσκοπικής τεχνικής, που βαφτίσθηκε «χτύπα και άκου» και η οποία «χαρτογραφεί» τα ενεργειακά επίπεδα των σωματιδίων του φωτός στα qubits.

Dimitris Angelakis is a tenured Associate Professor at School of Electronic and Computer Engineering, Technical University of Crete and jointly a Principal Investigator  at Centre for Quantum Technologies, Singapore leading the Quantum Optics and Quantum Simulators Group. His background is in theoretical quantum physics and quantum optics. His research interest are in quantum optical implementations of quantum computation and quantum simulation, quantum many-body physics and quantum technologies. He quite enjoys discussing science at all levels,  sampling good wine and tries to learn play the Cretan Lyra.

Ο Δημήτρης Αγγελάκης είναι αναπληρωτής καθηγητής στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Πολυτεχνείου Κρήτης και διευθυντής της ερευνητικής ομάδας Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικής Πληροφορίας (QOQI). Εργάζεται παράλληλα σαν επισκέπτης κύριος ερευνητής στo Κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης. Σπούδασε Φυσική στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και πήρε το διδακτορικό δίπλωμά του στη Θεωρητική Φυσική από το Imperial College του Λονδίνου το 2002.

Πηγές: "Spectroscopic signatures of localization with interacting photons in superconducting qubits" Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aao1401 - http://www.tovima.gr/science/technology-planet/article/?aid=921622