Trapped-ion kwantumcomputers zijn kwantumapparaten waarin opgesloten ionen samen trillen en volledig zijn geïsoleerd van de externe omgeving. Deze computers kunnen bijzonder nuttig zijn voor het onderzoeken en realiseren van verschillende toestanden van de kwantumfysica.

Onderzoekers van NIST/University of Maryland en Duke University hebben onlangs een quantumcomputer met ingesloten ionen gebruikt om twee door metingen geïnduceerde kwantumfasen te realiseren, namelijk de pure fase en de gemengde of coderende fase tijdens een zuiveringsfase-overgang. Hun bevindingen, gepubliceerd in een paper in Nature Physics , bijdragen aan het experimentele begrip van quantumsystemen met veel lichamen.

"Onze methoden waren gebaseerd op het werk van Michael Gullans en David Huse, die een door metingen geïnduceerde zuiveringsovergang in willekeurige kwantumcircuits identificeerden," vertelde Crystal Noel, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Het belangrijkste doel van ons artikel was om dit kritieke fenomeen experimenteel te observeren, met behulp van een kwantumcomputer."

Om de overgang van de zuiveringsfase te meten die voor het eerst werd geschetst door Gullans en Huse, moesten de onderzoekers het gemiddelde nemen van gegevens die waren verzameld over verschillende willekeurige circuits. Bovendien omvatten de metingen die ze verzamelden zowel unitaire als projectieve metingen.

"Door in een gemengde toestand te beginnen met hoge entropie of informatie, en vervolgens de circuits te ontwikkelen, geeft de entropie aan het einde van het circuit aan of die informatie verloren is gegaan, of met andere woorden dat het systeem is gezuiverd", legt Noel uit. "We hebben de entropie van het systeem gemeten na de evolutie van het circuit terwijl we de meetsnelheid over de overgang afstemmen."

Volgens theoretische voorspellingen zou de overgang van de zuiveringsfase die door het team werd onderzocht, op een kritiek punt moeten zijn verschenen, dat lijkt op een fouttolerante drempel. Noel en haar collega's voerden hun experimenten uit op willekeurige circuits die waren geoptimaliseerd om goed te werken met hun ionenval-kwantumcomputer. Hierdoor konden ze de verschillende fasen van zuivering observeren met een relatief klein systeem.

"Kritieke verschijnselen van deze aard zijn moeilijk waar te nemen vanwege de behoefte aan grote systeemgroottes, mid-circuitmetingen en middeling over veel willekeurige circuits die aanzienlijke rekentijd in beslag nemen," zei Noel. "We hebben een manier gevonden om het bestudeerde model af te stemmen op het systeem dat we tot onze beschikking hadden, en laten zien dat met een minimaal model de kritische verschijnselen nog steeds kunnen worden waargenomen."

Met behulp van hun quantumcomputer met ingesloten ionen was het team in staat om zowel de pure fase van de zuiveringsfase-overgang als de gemengde of coderende fase te onderzoeken. In de eerste van deze toestanden wordt het systeem snel geprojecteerd naar een zuivere toestand, die gerelateerd is aan de meetresultaten. In het tweede geval wordt de begintoestand van het systeem gedeeltelijk gecodeerd in een kwantumfoutcorrigerende coderingsruimte, die het systeemgeheugen van de oorspronkelijke omstandigheden voor een langere tijd vasthoudt.

De succesvolle realisatie van deze twee fasen van de zuiveringstransitie van Noel en haar collega's in hun ionenval-kwantumcomputer zou andere teams kunnen inspireren om vergelijkbare systemen te gebruiken om andere kwantumfasen van materie te onderzoeken. In hun volgende werk zullen de onderzoekers dezelfde computer, die nu is verplaatst naar het New Duke Quantum Center, blijven gebruiken om andere fysieke verschijnselen te onderzoeken. Chris Monroe, de hoofdonderzoeker van de recente studie, is nu directeur van dit centrum en zal verdere studies leiden met behulp van de quantumcomputer met ingesloten ionen.

"We zijn nu van plan om kritische verschijnselen in willekeurige circuits te blijven bestuderen met behulp van onze ingesloten ionen-quantumcomputer. We zullen meer qubits en mid-circuitmetingen toevoegen om de hardwaremogelijkheden te vergroten. We zullen werken aan het vinden van nieuwe waarneembare en interessante overgangen die vergelijkbaar zijn met degene die hier is waargenomen om meer te begrijpen over kwantumcomputing en open kwantumsystemen in het algemeen." + Verder verkennen

Glimpen van faseveranderingen van kwantumcomputers tonen onderzoekers het omslagpunt

© 2022 Science X Network