Matematični fizik prof. dr. Tomaž Prosen z ekipo Googlovega laboratorija do pomembnega preboja v kvantni fiziki

Raziskava prof. dr. Tomaža Prosena in njegove ekipe osvetljuje povsem nov tip transporta v kvantnih materialih, ki je nekje vmes med tradicionalno difuzijo in idealnim balističnim transportom. To delo, ki je nastalo v sodelovanju s skupino za kvantno računalništvo podjetja Google, temelji na simulacijah dinamike Heisenbergove spinske verige z uporabo digitalnega kvantnega računalnika. Rezultati so potrdili prejšnje teoretične napovedi prof. Prosena in sodelavcev z UL FMF, hkrati pa odkrili nove, presenetljive pojave, ki kažejo na obstoj novega univerzalnega razreda neravnovesne statistične fizike.

Gre za eno prvih zares uporabnih kvantnih simulacij novih, neravnovesnih kvantnih transportnih pojavov. Univerzalni digitalni kvantnih računalnik na 46 superprevodnih kvantnih bitih s skoraj zanemarljivimi napakami simulira dinamiko mnogodelčnega kvantnega magneta. Rezultat gre deloma preko state-of-the art simulacij na klasičnih računalnikih in predstavlja prvo empirično evidenco za nov univerzalnostni razred kvantnega transporta.

"Naše raziskave odpirajo nova vrata v razumevanju kvantnih transportnih pojavov. Ponosen sem na sodelovanje s kolegi na Univerzi v Ljubljani, ki je vodilo do tega dosežka, ter Googlovo Quantum AI ekipo, saj smo skupaj presegli tradicionalne meje znanja. Ta dosežek ne označuje le napredka v fiziki, ampak tudi potrjuje potencial kvantnih simulacij za razreševanje kompleksnih znanstvenih vprašanj ", je povedal vodilni avtor članka, prof. dr. Tomaž Prosen.

Profesor fizike iz Univerze v Harvardu, prof. dr. Subir Sachdev je to odkritje komentiral takole:”Kvantni računalniki obetajo veliko pri opisovanju kvantne dinamike mnogodelčnih sistemov v režimih, ki so klasičnim računalnikom nedostopni. Globlje razumevanje kvantne dinamike je ključ do številnih temeljnih fizikalnih in nekaterih tehnološko pomembnih problemov, od superprevodnikov pri višjih temperaturah do notranjosti črne luknje. V tem članku je ekipa iz Google Quantum AI laboratorija z zunanjimi sodelavci jasno demonstrirala uporabnost kvantnih računalnikov in pokazala, kako ima veriga 46 superprevodnih kubitov povsem nov režim kvantne dinamike, ki ga nista predvidela ne teorija ne klasični računalniki.”

Prof. dr. Gregor Majdič, rektor Univerze v Ljubljani pa je ob tem uspehu povedal: "Objave naših raziskovalcev v prestižni znanstveni reviji, kot je Science, predstavljajo ključni steber v gradnji in utrjevanju mednarodnega ugleda Univerze v Ljubljani. Takšne publikacije niso le dokaz izjemne kakovosti in inovativnosti dela, ki ga opravljajo naše raziskovalne ekipe, ampak so tudi temelj za širjenje prepoznavnosti naše univerze na globalnem nivoju. To je znak, da je Univerza v Ljubljani prostor znanstvene odličnosti, ki privablja vrhunske talente in odpira vrata mednarodnim raziskovalnim in akademskim sodelovanjem. Objave v tako pomembnih publikacijah tudi spodbujajo inovativnost in tehnološki napredek, ki imata širok družben in gospodarski vpliv”.

***

Q&A: Dinamika magnetizacije v Heisenbergovi spinski verigi pri neskončni temperaturi 

Članek je bil objavljen 5. aprila 2024 v reviji Science 

Kateri dosežek predstavlja omenjeni članek, objavljen v tej prestižni znanstveni reviji?

Pred nekaj leti so skupini prof. dr. Tomaža Prosena in prof.dr. Markom Žnidaričem na UL FMF teoretično napovedali povsem nov tip transporta, ki ga opazimo v določenih kvantnih materialih in ki je nekje vmes med difuzijo oziroma Ohmovim zakonom ter idealnim, t.i. balističnim transportom. Nadaljne raziskave, ki so jih izvajale tudi številne skupine po svetu, so nakazalovale na univerzalno obnašanje, ki je popisano z znamenito enačbo Kardarja, Parisija in Zhanga (znano kot KPZ enačba). Ta enačba, presenetljivo, v osnovi opisuje povsem različne pojave, kot je npr. naključna rast površin, stastistična fizika polimerov, ali celo promet. V novi raziskavi, ki je nastala kot plod sodelovanja prof. dr. Tomaža Prosena iz UL FMF s skupino za kvantno računalništvo podjetja Google, so s pomočjo digitalnega kvantnega računalnika simulirali dinamiko Heisenbergove spinske verige in po eni strani potrdili prejšnje napovedi KPZ enačbe za povprečene transportne količine, po drugi strani, pa so presenetljivo potrdili tudi nedavne domneve (spet iz iste skupine na UL FMF), da pa se fluktuacije (statistična nihanja okrog povprečja) obnašajo povsem drugače kot napove KPZ enačba. S tem je digitalni kvantni računalnik pomagal pridobiti evidenco za domnevno nov univerzalnostni razred neravnovesne statistične fizike. Članek je objavljen v reviji Science, 5 aprila 2024

Kaj ta dosežek predstavlja za področje kvantnega računalništva? Kako pomembno mesto na področju raziskovanja tega področja v globalnem prostoru zavzema UL FMF?

V zadnjih dveh letih smo priča izjemnemu napredku na področju kvantnih simulacij kvantnih mnogo-delčnih sistemov. Slednje je izjemno težko simulirati z običajnimi, klasičnimi superračunalniki. Kvantne simulacije, tudi na obstoječi tehnologiji, ki ji pravimo NISQ (angl., noisy intermediate scale quantum) pa napredujejo iz velikimi koraki, in kljub temu da še nismo v obdobju t.i. fault-tolerant kvantega računalništva, že predstavljajo določene prednosti v primerjavi s klasičnimi. Omenjena raziskava v sodelovanju UL FMF in Google Quantum AI predstavlja en pomemben prebojni dosežek v tej smeri.

Kako je prišlo do tega sodelovanja z raziskovalci podjetja Google v ZDA? Kakšni so bili raziskovalni cilji tega sodelovanja?

Pred dvema letoma je prof. dr. Tomaž Prosen na konferenci v Oxfordu (T. Prosen) navezal stik z enem od vodij Googlove skupine za kvantno računalništvo in ga takorekoč v hipu navdušil z raziskovalnim predlogom. Ideja je bila namreč pisana na kožo Googlovemu hardwareu. Tej prvi ideji in debati je sicer sledila še formalna faza predlog projekta, ki pa ga je konkretna raziskovalna skupina na strani Google Quantum AI hitro sprejela in se lotila dela.

Kakšna je bila vloga prof. dr. Tomaža Prosena, UL FMF pri tem sodelovanju?

Prof. dr. Tomaž Prosen je eden od dveh vodilnih (korespondenčnih) avtorjev raziskave in sicer odgovoren za teoretični del. V praksi je to pomenilo številne zoom sestanke z eksperimentalanim delom raziskovalne skupine Google Quantum AI iz Santa Barbare (ZDA), kjer so se kristalizirale intepretacije ogromne količine podatkov, ki jih je produciral kvantni simulator.

Več informacij najdete tukaj.

*** 

Prof. dr. Tomaž Prosen je mednarodno priznani fizik, specializiran je za študij točno rešljivih modelov, predvsem kvantnega kaosa v kontekstu mnogodelčnih kvantnih sistemov. Znan je po raziskovanju dinamike spinskih verig in kubitnih vezij z lokalnimi interakcijami, kjer proučuje modele, ki razlagajo pojave v teh kompleksnih sistemih. V svojih raziskavah je prof. dr. Tomaž Prosen vpeljal samo-dualen brcan Isingov model, ki omogoča neposreden izračun spektralnih korelacij brez predpostavk, in identificiral mehanizme, ki pojasnjujejo uspeh teorije slučajnih matrik v kvantnih mnogodelčnih sistemih. Njegovo delo je prispevalo k razumevanju dinamičnih lastnosti v kvantni fiziki in je bilo ključno za globalen napredek raziskovanja na tem področju. Prof. Prosen je edini slovenski raziskovalec, ki je kar dvakrat pridobil financiranje Evropskega raziskovalnega sveta (ERC) s projektoma za uveljavljene raziskovalce (Advanced Grant) v letu 2016 in letu 2023. Projekta sta priznanje evropske raziskovalne skupnosti za njegov vpliven prispevek k znanosti in hkrati predstavljata dokaz njegovega vodilnega položaja v mednarodni znanstveni skupnosti in njegovih prelomnih dosežkov v kvantni fiziki. Za svoje delo je lani prejel tudi Blinčevo nagrado.Fotografija: prof. dr. Tomaž Prosen, avtor Peter Irman

Dostop do članka na tej povezavi.