Американские физики экспериментально реализовали квантовые блуждания нейтральных атомов стронция-88 в ячейках двумерной оптической решетки. Распределение и расширение атомной волновой функции в их работе оказалось в хорошем согласии с простой моделью вплоть до области в сотню узлов. Ученые также продемонстрировали, как блуждания можно использовать для реализации квантового алгоритма поиска с оракулом.

Исследование опубликовано в Science.

Случайными блужданиями называют математическую модель процесса, в котором точка в некотором пространстве совершает последовательность случайных шагов. Пространство может иметь любую природу, а сама модель максимально универсальна, из-за чего она находит применение во множестве различных сфер. С ее помощью ученые описывают броуновское движение молекул, перемещение животных, появления новых научных идей, шансы на победу в спортивных состязаниях и даже смену светлых и темных полос в жизни человека. Мощь этого метода была отмечена вручением Абелевской премии в 2020.

Как и многие другие классические модели и игры, случайные блуждания подверглись квантовому обобщению. Квантовые блуждания отличаются способностью частицы находиться в суперпозиции состояний, соответствующих шагам в различных направлениях. Это приводит к необычным эффектам, например, квантовой интерференции и обратимой унитарной эволюции. Случайность включает в себя стохастические эффекты, приводящие к потере когерентности и даже коллапсу волновой функции.

Такие свойства модели делают ее подходящей для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Квантовые блуждания наиболее всего подходят к перемещению холодных электронов в кристаллической решетке, описываемых моделью Хаббарда. Для того, чтобы симуляция их динамики с помощью блужданий приносила ощутимую пользу, число узлов решетки должно быть велико. Масштабирование различных физических платформ (фотоны, ядерные спины, ионы и многое другое), подходящих для этого, так или иначе, сталкивается с проблемой шумов, которые нарушают когерентность.

Группа американских физиков под руководством Адама Кауфмана (Adam Kaufman) из Университета Колорадо в Боулдере выбрала для работы нейтральные атомы, блуждающие меж узлов двумерной оптической решетки с несколькими тысячами узлов. Они не только показали, что квантовые блуждания атомов в пределах сотни узлов очень хорошо согласуются с моделью Хаббарда, но использовали их для реализации квантового алгоритма поиска с оракулом.