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暑期实习生帮助开发新的模型来描述量子计算机中的缺陷和错误

在西班牙毕尔巴鄂的一次暑期实习使杰克·梅奥在著名的《物理评论快报》上发表了一篇论文。他帮助创建了一个通用模型,可以预测非平衡系统中拓扑缺陷的数量分布。研究结果可以应用于量子计算和早期宇宙结构起源的研究。

杰克·梅奥(Jack Mayo)是格罗宁根大学泽尼克高级材料研究所(Zernike Institute for Advanced Materials at the University of Groningen)纳米科学顶级硕士课程的学生。去年,他收到了一份由该项目的一位主管分发的电子邮件,里面列有西班牙圣塞巴斯蒂安的多诺斯蒂亚国际物理中心(DIPC)提供的暑期实习名单。有一个项目引起了他的注意。这是一个与凝聚态物质有关的理论项目,但它也有一些明确的技术相关性。我想知道这种工作是否适合我。他解释说。梅奥申请并被选中,于是他在巴斯克海岸度过了2019年暑假,沉浸在理论物理学中。

冰晶

他与DIPC的Adolfo del Campo教授领导的研究小组一起参与的项目旨在解决量子计算中的一个问题。但它有更广泛的含义,从纳米磁体到宇宙。在所有这些系统中,有序的开始(例如,由冷却引起的有序)几乎总是伴随着缺陷的发展。以一个粒子具有磁矩的系统为例,该磁矩可以在上下之间翻转,梅奥解释道。如果你增加他们之间的相互吸引,他们就会开始彼此对齐。

这种比对将从介质中某些不相关的点开始,然后增长。就像水中的冰晶。每个域的排列(磁矩的例子中是向上还是向下)是一个偶然的问题。本地的结盟将向外发展,在某个阶段,域将开始相遇和互动,梅奥说。例如,如果一个上域和一个下域相遇,结果将是在它们的接口处出现一个域墙。有序结构中的一种对称性破坏缺陷,在高对称相位下留下物质的假象。

旅行推销员

介质的这种退火被Kibble-Zurek机制描述,最初设计用来解释在早期宇宙中相变是如何导致有序结构的。后来发现它可以用来描述液氦从流体到超流体相的转变。该机制具有通用性,也可应用于基于量子退火的量子计算中。梅奥解释道。这项技术已经上市,能够解决诸如旅行推销员问题等复杂的难题。然而,这类工作的一个问题是在退火过程中出现的缺陷会扭曲结果。

模拟

量子退火中出现的缺陷数量取决于通过相变所花费的时间。如果你有数百万年的时间来慢慢改变单位之间的相互作用,你不会有缺陷,但这是不太实际的,梅奥言论。诀窍在于设计有限时间–因此更实用–获得高概率缺陷的可接受数量的时间表。他参与的研究项目旨在创建一个模型,该模型可以估计缺陷的数量,并指导这些系统的优化设计。

为此,物理学家使用理论工具来描述相变,并用数值模拟来估计冷却过程中的缺陷分布。由于每个域可以有两个值之一(在磁矩的例子中为上或下),它们可以估计两个相对域相遇并产生缺陷的几率。这导致了一个基于二项分布的统计模型,可以用来预测如何冷却系统以产生最小数量的缺陷。通过独立数值模拟验证了该模型的有效性。这个新模型在2020年6月17日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文中进行了描述,并附上了一个观点。发表在《物理学》上,来自伊利诺伊大学香槟分校的独立物理学家Smitha Vishveshwara教授评论了这一结果。

阿姆斯特丹

现在,差不多一年过去了,梅奥即将完成他的硕士论文——功能光谱学。他了解到自己喜欢分析工作,毕业后,他将在阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam)开始一个理论机器学习的博士项目。我即将完成对缺陷建模的准经典方法的工作,该方法也是在西班牙开始的。但要紧的事先做。

参考文献:过相变后拓扑缺陷的全计数统计作者:Fernando J. Gómez-Ruiz, Jack J. Mayo and Adolfo del Campo,物理评论快报,2020年6月17日。

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.240602

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