Natuurkundigen hebben de afgelopen jaren uitgebreid onderzoek gedaan naar kwantumtechnologie en kwantum veellichamensystemen. Twee dynamische processen die niet in evenwicht zijn en die op dit gebied bijzondere aandacht hebben getrokken, zijn kwantumthermisering en informatieversluiering.

Thermalisatie, of "de relaxatie tot evenwicht", is een proces waardoor quantum veel-lichamensystemen thermisch evenwicht bereiken. Aan de andere kant houdt informatieversluiering de verstrooiing van lokale informatie in in veeldeeltjeskwantumverstrengeling, die verspreid is over een kwantum veeldeeltjessysteem.

Onderzoekers van de University of Science and Technology of China, het Shanghai Research Center for Quantum Sciences en de Chinese Academy of Sciences hebben onlangs zowel thermalisatie als informatieversluiering waargenomen in een supergeleidende kwantumprocessor. Hun bevindingen, gepubliceerd in een paper in Physical Review Letters , zou de weg kunnen effenen voor nieuwe studies die zich richten op de thermodynamica van quantum veellichamensystemen.

"De niet-evenwichtseigenschappen van kwantum veel-lichaamssystemen zijn relevant voor de vraag of de integreerbaarheid van het kwantumsysteem is verbroken," vertelde Xiaobo Zhu, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "In het bijzonder mislukken thermalisatie en informatieversleuteling tijdens niet-evenwichtsdynamiek van de eendimensionale vrije fermionen als een integreerbaar systeem."

Experimenteel onderzoek naar thermalisatie en informatieversluiering in zowel integreerbare als niet-integreerbare kwantumsystemen kan om twee belangrijke redenen bijzonder uitdagend zijn. Ten eerste vereist dit de experimentele implementatie van beide typen systemen op dezelfde kwantumsimulator.

Om deze experimenten met succes uit te voeren, moeten onderzoekers bovendien in staat zijn om nauwkeurige en efficiënte metingen van verstrengelingsentropie en tripartiete wederzijdse informatie te verzamelen. Deze metingen stellen wetenschappers uiteindelijk in staat om respectievelijk thermalisatie en informatieversleuteling te kwantificeren, meestal met behulp van een benadering die bekend staat als multi-qubit kwantumtoestandtomografie.

"In ons recente werk, met behulp van een programmeerbaar supergeleidend circuit van het laddertype bestaande uit 24 qubits, hebben we experimenteel thermalisatie en scrambling in de 12-qubit-keten en ladder bestudeerd, waarbij we kwantumsimulaties van het 1D XX-model hebben uitgevoerd, dat kan worden toegewezen aan vrije fermionen , een typisch integreerbaar systeem, en het XX-laddermodel als een niet-integreerbaar systeem", legt Zhu uit. "We hebben twee verschillende dynamische gedragingen van de qubit-array-keten en ladder waargenomen, wat aantoont dat integreerbaarheid een sleutelrol speelt bij thermalisatie en informatieversluiering."

Zhu en zijn collega's besloten om kwantumthermisatie en informatieversluiering te bestuderen in een supergeleidende kwantumprocessor die wordt gekenmerkt door een hoge programmeerbaarheid. Door alle qubits af te stemmen op dezelfde interagerende frequenties, waren ze in staat om de niet-evenwichtsdynamiek van de qubit-keten en ladder experimenteel te bestuderen.

"Na de tijdsevolutie kunnen we de lokale waarneembare waarnemingen meten door alle qubits naar de Z-projecties te projecteren," zei Zhu. "We gebruikten ook zeer nauwkeurige multi-qubit kwantumtoestandtomografie om de verstrengelingsentropie en de tripartiete wederzijdse informatie (TMI) te meten. Dankzij de ladderachtige architectuur van het supergeleidende circuit konden we de integreerbare 1D-keten en de niet-integreerbare ladder bestuderen. in dezelfde kwantumprocessor."

Zhu en zijn collega's onderzochten eerst thermalisatie en informatieversluiering in de qubit-arrayketen en ladder van hun zeer programmeerbare supergeleidende circuit. Hun waarnemingen suggereren dat integreerbaarheid een significante invloed heeft op de eigenschappen van kwantumveellichamensystemen die niet in evenwicht zijn.

"We hebben ook een stabiele negatieve waarde van TMI waargenomen in het niet-integreerbare systeem, wat de eerste experimentele signatuur is van informatieversleuteling, gekarakteriseerd via TMI, en de basis legt voor verdere experimentele studies over TMI op andere platforms," ​​zei Zhu.

Naast het verzamelen van interessant inzicht in de relevantie van de integreerbaarheid van een systeem bij het bepalen van de eigenschappen die niet in evenwicht zijn en het onthullen van een handtekening van informatieversluiering, waren Zhu en zijn collega's een van de eersten die kwantumveellichamensystemen bestudeerden met behulp van een zeer programmeerbare kwantumcomputer. processor.

In de toekomst zou de omvang van het circuit dat ze gebruikten verder kunnen worden uitgebreid, om berekeningen uit te voeren die met klassieke computers moeilijker zouden zijn uit te voeren. In hun volgende onderzoeken willen de onderzoekers voortbouwen op hun recente werk, waarbij ze twee belangrijke onderzoeksrichtingen nastreven.

"Ten eerste zijn we van plan meer qubits op te nemen om een ​​groter veellichamensysteem te vormen," voegde Zhu eraan toe. "Ten tweede zijn we van plan om de programmeerbaarheid van de kwantumprocessor te verbeteren. Op de ultramoderne supergeleidende kwantumprocessor 'Zuchongzhi 2.0' hebben we met succes het kwantumvoordeel aangetoond. We zijn van plan deze processor te gebruiken om meer opwindende verschijnselen te demonstreren in veellichamenfysica." + Verder verkennen

Eerste hybride kwantumbit gebaseerd op topologische isolatoren

© 2022 Science X Network