Il processore a 256 qubit di Pasqal trova in un magnete quantistico un rallentamento che la teoria non prevedeva

Pasqal afferma che il suo processore ad atomi neutri da 256 qubit ha rivelato in un magnete quantistico bidimensionale un comportamento che la teoria attuale non aveva previsto. In un preprint pubblicato con il Center for Computational Quantum Physics del Flatiron Institute, l'Università di Augusta, il Forschungszentrum Jülich, l'Università di Ratisbona e l'Institut d'Optique–CNRS, il gruppo riferisce che in determinate condizioni il magnete impiega molto più tempo del previsto per stabilizzarsi dopo una perturbazione improvvisa, in un regime in cui i principali metodi di simulazione classica smettono di concordare tra loro.

Cosa è stato annunciato

Pasqal ha annunciato il risultato il 27 ottobre e ha pubblicato su arXiv l'articolo Exploring the Relaxation Landscape of a 2D Quantum Magnet on a 256-Qubit Processor. L'azienda lo presenta come il passaggio dall'uso dei processori quantistici per riprodurre fisica nota al loro impiego per scoprire comportamenti che i ricercatori non avevano previsto. Il lavoro si basa su uno studio precedente in cui la stessa macchina aveva riprodotto il comportamento di un vero cristallo magnetico.

I dettagli tecnici

L'esperimento ha disposto 256 atomi di rubidio-87 in una matrice quadrata 16×16, usando come qubit lo stato fondamentale e uno stato di Rydberg di ciascun atomo. Il sistema ha simulato il modello di Ising bidimensionale in campo trasverso, un modello di riferimento del magnetismo. Partendo da uno stato completamente polarizzato, i ricercatori hanno modificato bruscamente l'hamiltoniana, il cosiddetto "quench", e hanno osservato come si rilassavano le correlazioni per diversi rapporti tra campo trasverso e intensità dell'interazione.

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Hanno individuato tre regimi. Vicino alla transizione di fase dinamica, attorno a un rapporto di 2,5, il sistema si è termalizzato rapidamente. Con un campo intenso di 6,0 si è assestato su un plateau pretermico di lunga durata descritto da un modello efficace di tipo XY. A un valore intermedio di 3,5 il rilassamento ha rallentato nettamente, con le correlazioni rimaste lontane dai valori termici ben oltre la scala temporale abituale. Gli autori scrivono di non avere ancora una spiegazione chiara per questo rallentamento.

Per verificare i dati, il gruppo li ha confrontati con tre metodi a reti tensoriali: reti tensoriali bidimensionali, stati prodotto di matrici e reti tensoriali ad albero. Tutti e tre concordavano con il processore nei primi istanti, per poi allontanarsi dalle misure e tra loro a tempi successivi. I risultati del processore sono rimasti coerenti al crescere delle dimensioni del sistema. Modellazione del rumore, correzione degli errori di misura e simulazioni esatte su reticoli 5×5 hanno sostenuto la conclusione che il rallentamento riflette fisica a molti corpi e non un artefatto dell'hardware.

Perché è importante

Come i sistemi quantistici interagenti si rilassino lontano dall'equilibrio in due dimensioni è un problema aperto e difficile, proprio il tipo di questione in cui ci si aspetta che i simulatori quantistici analogici siano utili. Pasqal e i suoi partner precisano esplicitamente che il lavoro non dimostra un vantaggio quantistico computazionale. Lo presentano invece come prova che questi processori possono fungere da strumenti scientifici complementari dove teoria e calcolo numerico classico sono in difficoltà.

"Non ci limitiamo a riprodurre ciò che già sappiamo, ma scopriamo comportamenti che non ci aspettavamo", ha dichiarato Loïc Henriet, CTO di Pasqal.

Cosa osservare

L'articolo è un preprint: i prossimi passi sono la revisione paritaria e i tentativi di altri gruppi, sperimentali e classici, di spiegare il rallentamento. Gli autori indicano le matrici di atomi di Rydberg come piattaforma chiave per le questioni aperte che individuano, e affermano che i miglioramenti in corso dei tempi di coerenza aprono la strada ad analisi sistematiche di scaling a dimensione finita e tempo finito.