Ученые из Австрии и США разработали новый тип квантового компьютера, в котором для моделирования комплексных физических систем используются фермионные атомы. Такой процессор может воссоздавать фермионные модели в аппаратном обеспечении при помощи фермионных затворов. Возможности нового квантового процессора были испытаны на задачах из квантовой химии и физики частиц.

Фермионные атомы подчиняются принципу исключения Паули, который говорит, что два и более фермиона не могут одновременно находиться в идентичном состоянии в одной квантовой системе. Это делает их идеальными кандидатами для моделирования систем, в которых фермионная статистика играет важную роль: молекул, сверхпроводников и кварк-глюонных плазм, пишет Science Daily.

Фермионный квантовый компьютер собран из фермионного регистра и набора фермионных квантовых затворов.

«Регистр состоит из фермионных мод, которые могут быть либо пустыми, либо занятыми одним фермионом, — пояснил Даниэль Гонзалес Куарда. — Состояние системы, которое мы хотим моделировать, например, молекулы, состоящей из множества электронов, будет суперпозицией множества паттернов заполненности, которые можно напрямую кодировать в этот регистр».

Затем эта информация обрабатывается при помощи фермионной квантовой цепи, созданной для моделирования, к примеру, временной эволюции молекулы. Любую из этих цепей можно разбить на отрезки из всего двух типов фермионных затворов: туннельный затвор и затвор взаимодействия. Ученые предложили поймать атомы фермионов оптическим пинцетом — направленными пучками лазеров, способных перемещать атомы с высокой точностью. Затворы туннелирования можно изготовить, управляя туннелированием атомов между двух оптических пинцетов, а затвор взаимодействия — путем возбуждения атомов до состояния Ридберга.

Фермионные квантовые вычисления особенно полезны для моделирования свойств систем, состоящих из множества взаимодействующих фермионов: электронов в молекуле или в материале или кварков внутри протона. Таким образом, он может применяться в разных областях, от квантовой химии до физики частиц, что и продемонстрировали ученые на практике.