In recente jaren, er zijn aanzienlijke vorderingen gemaakt in de ontwikkeling van digitale kwantumcomputers en simulators. Deze opkomende fysieke systemen openen ongekende mogelijkheden voor het beheersen en meten van een verscheidenheid aan kwantumdynamica. Als resultaat, enkele fundamentele vragen in de veellichamenfysica die voorheen als speculatief werden beschouwd en buiten het domein van experimentele verkenning vallen, kunnen nu in laboratoriumomgevingen worden onderzocht.

Onderzoekers van Stanford University hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de rol van kwantummetingen in de dynamica van veel lichamen. In hun krant gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ze presenteerden specifiek een protocol dat kan worden gebruikt om dynamiek te realiseren, waaronder kwantummetingen in kwantumcomputers en kwantumsimulators, terwijl het vermijden van een procedurele stap die bekend staat als postselectie.

"Metingen hebben een speciale plaats in de kwantumfysica:ze zorgen ervoor dat het systeem abrupt 'instort' op een van de verschillende mogelijke meetresultaten, willekeurig gekozen, " Matteo Ippoliti en Vedika Khemani, de twee onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org. "Bijvoorbeeld, denk aan Schrödinger's kat in een 'superpositie' van levend en dood in een doos - zodra de doos wordt geopend, de toestand van de kat stort in tot levend of dood. In tegenstelling tot, kwantumsystemen die 'met rust worden gelaten' evolueren op een deterministische manier, ook bekend als 'unitaire' dynamiek."

De afgelopen jaren is gedeeltelijk gemotiveerd door recente vooruitgang in de ontwikkeling van kwantumcomputerapparatuur, veel onderzoekers zijn begonnen met het bestuderen van het samenspel tussen kwantummetingen en unitaire dynamiek van veel lichamen. interessant, ze voorspelden dat toestanden die door deze apparaten worden geproduceerd, een gevarieerde reeks nieuwe verschijnselen zouden vertonen. Vervolgens, deze observaties werden de focus van tal van theoretische studies.

"Vanuit een experimenteel standpunt, de willekeur van kwantummetingen vormt een groot probleem:om op betrouwbare wijze dezelfde toestand te maken (noodzakelijk om de eigenschappen ervan te meten, of om het in toepassingen te gebruiken), men moet steeds dezelfde willekeurige reeks meetresultaten herhalen, Ippoliti en Khemani legden uit. "Dit is een exponentieel zeldzame gebeurtenis, zoals het vele malen opgooien van een munt en het krijgen van een rechte opeenvolging van kop, en het is geen technische beperking, maar eerder een gevolg van basisregels van de kwantummechanica. Dit is het probleem van 'naselectie'."

Om verstrengeling in niet-unitaire dynamiek te meten, onderzoekers zouden een experiment vele malen moeten herhalen om aan deze 'postselectie'-vereiste te voldoen, wat onbetaalbaar zou zijn. Het primaire doel van de studie uitgevoerd door Ippoliti en Khemani was het bedenken van een strategie om de experimentele realisatie van deze dynamiek mogelijk te maken zonder dat naselectie nodig is. Ze stelden voor dat dit kan worden bereikt door de rollen van ruimte en tijd uit te wisselen, gebruikmakend van een idee dat bekend staat als ruimtetijd-dualiteit.

"In simpele termen, stel je voor dat je een set kwantumbits (qubits) in je lab hebt, gerangschikt op een lijn, op positie één, twee, enzovoort., Ippoliti en Khemani zeiden. "Deze kunnen worden gemaakt om te communiceren met hun buren en zo evolueren in de tijd, een kwantumberekening beschrijven. Stel je nu een 'virtueel' systeem voor dat bestaat in de tijdsrichting van het laboratorium en evolueert in de richting van de ruimte - van qubit één naar twee gaan in het laboratorium betekent dit virtuele systeem gedurende één tijdseenheid ontwikkelen, enzovoort."

De 'virtuele evolutie' van het door de onderzoekers onderzochte systeem bleek niet-unitair te zijn, wat in wezen betekent dat het enkele meetelementen bevat. Deze elementen, echter, zijn volledig deterministisch en kunnen betrouwbaar en herhaaldelijk worden gereproduceerd. Deze cruciale eigenschap stelde hen in staat om hun idee te vertalen naar een protocol om verstrengelingsdynamiek in kwantumsimulatoren te realiseren en te bestuderen.

"De ideeën achter ons onderzoek lijken misschien vrij abstract, maar we vertalen ze naar een specifiek protocol dat kan worden uitgevoerd op hedendaagse digitale kwantumsimulators, Ippoliti en Khemani zeiden. "Dit creëert een directe route om deze nieuwe soorten kwantumdynamica experimenteel te bestuderen met metingen, terwijl het ook enkele opwindende theoretische ideeën dichterbij brengt."

In de toekomst, het protocol van Ippoliti en Khemani zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor het bestuderen van verstrengelingsdynamiek in kwantumsystemen. In aanvulling, hun werk zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe strategieën om informatie te beschermen die is opgeslagen in bestaande en nieuw ontwikkelde kwantumapparaten. Het idee van 'ruimtetijd-dualiteit' dat door deze onderzoekers werd geïntroduceerd, zou ook kunnen worden gebruikt om tal van fysieke fenomenen en dynamieken die verband houden met kwantumsystemen te bestuderen.

"We onderzoeken momenteel de soorten interessante staten die op deze manier kunnen worden voorbereid, en hoe ze verbinding kunnen maken met de fasen van de kwantummaterie die we kennen, Ippoliti en Khemani voegden eraan toe. ons onderzoek zal worden geïnformeerd door dit nieuwe tijdperk van quantum computing en simulatie, met dubbele doelen:aan de ene kant, het ontdekken van nieuwe fundamentele fenomenen die mogelijk zijn gemaakt door deze technologische vooruitgang; op de andere, het nastreven van nieuwe fundamentele ideeën die van invloed kunnen zijn op de technologieën zelf, met name nieuwe manieren om kwantuminformatie op basis van dynamiek op te slaan en te manipuleren."

© 2021 Science X Network