Физики из Российского квантового центра создали пятикубитный квантовый вычислитель и смоделировали с его помощью систему из атомов, обменивающихся фотонами. Вычислитель представлял собой цепь из пяти сверхпроводящих кубитов — транcмонов, каждый из которых симулировал отдельный атом. Авторы использовали модель Бозе-Хаббарда для описания перемещения фотонов между искусственными атомами и показали, что эксперимент и симуляции соответствуют этой модели. Работа опубликована в Physical Review Letters.
В отличие от модели Хаббарда, моделирующей движение электронов (электроны являются фермионами) в кристаллической решетке твердого тела, модель Бозе-Хаббарда подходит для приближенного описания взаимодействия бозонов (отсюда «Бозе» в названии) в пространственной решетке. Самой распространенной реализацией модели считается оптическая решетка с ультрахолодными атомами — одна из платформ для квантовых вычислений. На базе такой платформы ученым уже удавалось создать экспериментальные решетки с несколькими миллионами ячеек, в то время как классические вычислители способны точно смоделировать решетки в 100 тысяч раз меньше.
Несмотря на то, что удобной платформой для реализации модели Бозе-Хаббарда все еще остаются ультрахолодные атомы, группа ученых под руководством Алексея Устинова (A. V. Ustinov) из Российского квантового центра показала, что для этой задачи подходит и платформа из сверхпроводниковых кубитов. Авторы ограничились пятью ячейками при моделировании и экспериментальной реализации модели для исследования взаимодействия и перемещения фотонов в одномерной пространственной решетке. Им удалось найти поведение системы, которое не способна описать классическая теория, и изучить влияние контролируемого беспорядка на транспорт фотонов.
(a) изображение экспериментальной платы; желтым отмечены волноводы для ввода-вывода излучения, зеленым сами транcмоны, оранжевым — резонаторы для считывания информации с трансмонов, а красные линии обозначают управление трансмоном, (b) модель Бозе-Хаббарда для (a): Ω отвечает за внесение фотона в решетку, Γ — за утечку фотонов из крайних ячеек, а J — за перемещение из одной ячейки в другую; ℏωi — энергия локализованного фотона в i-той ячейка, где добавление еще одного фотона меняет меняет энергию на ℏαi