Προσομοιώνοντας κβαντικά σωμάτια σε ένα πλέγμα όμοιο με αυτό υπεραγωγών ή ατομικών πυρήνων

Ένας κβαντικός προσομοιωτής είναι ένας περιορισμένης χρήσης κβαντικός υπολογιστής: μια μηχανή η οποία μπορεί να προγραμματιστεί για να αναπαράγει τη συμπεριφορά ενός συγκεκριμένου κβαντικού συστήματος το οποίο είναι πολύ περίπλοκο για να προσομοιωθεί με κλασικές μεθόδους. Εξαιτίας της συγκριτικής τους απλότητας, πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι οι κβαντικοί προσομοιωτές θα μπορούσαν να δώσουν χρήσιμες εφαρμογές συντομότερα από ότι θα το έκαναν οι καθολικά κβαντικοί υπολογιστές. Με αυτόν το στόχο κατά νου, ο Christopher Wilson του Πανεπιστημίου του Waterloo, στον Καναδά και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια βασισμένη σε μικροκύκλωμα (chip) υπεραγώγιμη κοιλότητα για να κατασκευάσουν έναν κβαντικό προσομοιωτή ο οποίος μπορεί να προσομοιώσει κβαντικό σωμάτιο σε ένα πλέγμα. Τέτοια συστήματα σωματιδιακού πλέγματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μοντέλα για τη συμπεριφορά των υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγών ή των σωματιδίων μέσα σε ένα ατομικό πυρήνα.

Η υπεραγώγιμη κοιλότητα, δείχθηκε από τον Wilson και τους συνεργάτες του, κρατάει μικροκυματική ακτινοβολία σε συγκεκριμένες συχνότητες, ή τύπους, που προσδιορίζονται από το μέγεθος της κοιλότητας. Οι ερευνητές αλλάζουν το δραστικό μέγεθος της κοιλότητας καθυστερώντας τη διάδοση των φωτονίων στο ένα άκρο με μεταβαλλόμενη διακοπή. Όταν η κοιλότητα περιέχει πολλαπλά μικροκυματικά φωτόνια, συντονίζοντας το δραστικό μήκος προκαλούν τους διάφορους τύπους της κοιλότητας για να αλληλεπιδρά το ένα με το άλλο.

Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτή τη διάταξη για να δημιουργήσει μια αποκαλούμενη μποζονική κλίμακα Creutz – ένα απλό μοντέλο σωματιδίων κινούμενων σε ένα πλέγμα τεσσάρων κόμβων. Στην εφαρμογή του μοντέλου, ο Wilson και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν τις αλληλεπιδράσεις τύπων κοιλότητας έτσι ώστε κάθε τύπος της κοιλότητας να ανταποκρίνεται σε έναν κόμβο του πλέγματος. Επίσης, έδειξαν ότι ο κβαντικός προσομοιωτής μπορεί να προγραμματιστεί in situ (επί τόπου) με την εισαγωγή μικροκυμάτων διαφορετικών συχνοτήτων μέσα στην κοιλότητα. Η τεχνική μπορεί να κλιμακωθεί για να προσομοιώσει περισσότερο σύνθετα κβαντικά συστήματα τοποθετώντας πολλαπλές υπεραγώγιμες κοιλότητες σε ένα μικροκύκλωμα.