Onderzoek op basis van het kwantum "anti-vlindereffect" lost een al lang bestaand experimenteel probleem in de natuurkunde op en stelt een methode vast voor het benchmarken van de prestaties van kwantumcomputers.

"Met behulp van het eenvoudige, robuuste protocol dat we hebben ontwikkeld, kunnen we de mate bepalen waarin kwantumcomputers informatie effectief kunnen verwerken, en het is ook van toepassing op informatieverlies in andere complexe kwantumsystemen", zegt Bin Yan, een kwantumtheoreticus bij Los Alamos National Laboratorium.

Yan is corresponderend auteur van een artikel over het versleutelen van informatie door benchmarking, dat vandaag is gepubliceerd in Physical Review Letters . "Ons protocol kwantificeert informatieversluiering in een kwantumsysteem en onderscheidt het ondubbelzinnig van nep-positieve signalen in de lawaaierige achtergrond veroorzaakt door kwantumdecoherentie," zei hij.

Ruis in de vorm van decoherentie wist alle kwantuminformatie in een complex systeem zoals een kwantumcomputer, omdat het zich koppelt aan de omgeving. Aan de andere kant verspreidt informatie die door de kwantumchaos klautert, informatie over het systeem, beschermt het en zorgt ervoor dat het kan worden opgehaald.

Coherentie is een kwantumtoestand die kwantumcomputing mogelijk maakt, en decoherentie verwijst naar het verlies van die toestand wanneer informatie naar de omgeving lekt.

"Onze methode, die is gebaseerd op het kwantum-anti-vlindereffect dat we twee jaar geleden ontdekten, evolueert een systeem vooruit en achteruit door de tijd in een enkele lus, zodat we het kunnen toepassen op elk systeem met tijdomkering van de dynamiek, inclusief kwantumcomputers en kwantumsimulators die koude atomen gebruiken," zei Yan.

Het Los Alamos-team demonstreerde het protocol met simulaties op IBM cloudgebaseerde kwantumcomputers.

Het onvermogen om decoherentie te onderscheiden van het versleutelen van informatie heeft experimenteel onderzoek naar het fenomeen belemmerd. Voor het eerst bestudeerd in de fysica van zwarte gaten, is het versleutelen van informatie relevant gebleken in een breed scala van onderzoeksgebieden, waaronder kwantumchaos in veellichamensystemen, faseovergang, kwantummachine learning en kwantumcomputing. Experimentele platforms voor het bestuderen van informatieversleuteling zijn onder meer supergeleiders, ingesloten ionen en op de cloud gebaseerde kwantumcomputers.

Praktische toepassing van het kwantumanti-vlindereffect

Yan en co-auteur Nikolai Sinitsyn publiceerden in 2020 een paper waarin ze aantoonden dat kwantumprocessen achteruit evolueren op een kwantumcomputer om informatie in het gesimuleerde verleden te beschadigen, weinig verandering veroorzaakt wanneer ze worden teruggebracht naar het heden. Een klassiek-fysisch systeem daarentegen smeert de informatie onherstelbaar uit tijdens de heen-en-weer tijdlus.

Voortbouwend op deze ontdekking ontwikkelden Yan, Sinitsyn en co-auteur Joseph Harris, een afgestudeerde student van de Universiteit van Edinburgh die aan het huidige artikel werkte als deelnemer aan de Los Alamos Quantum Computing Summer School, het protocol. Het bereidt een kwantumsysteem en subsysteem voor, evolueert het volledige systeem vooruit in de tijd, veroorzaakt een verandering in een ander subsysteem en evolueert het systeem vervolgens gedurende dezelfde tijd achteruit. Het meten van de overlap van informatie tussen de twee subsystemen laat zien hoeveel informatie is bewaard door scrambling en hoeveel verloren is gegaan door decoherentie. + Verder verkennen

Samenhang vinden in kwantumchaos