Wetenschap
Wetenschappers stemmen de verstrengelingsstructuur af in een reeks qubits
Verstrengeling is een vorm van correlatie tussen kwantumobjecten, zoals deeltjes op atomaire schaal. De wetten van de klassieke natuurkunde kunnen dit unieke kwantumfenomeen niet verklaren, maar toch is het een van de eigenschappen die het macroscopische gedrag van kwantumsystemen verklaren.
Omdat verstrengeling centraal staat in de manier waarop kwantumsystemen werken, zou een beter begrip ervan wetenschappers een dieper inzicht kunnen geven in de manier waarop informatie in dergelijke systemen efficiënt wordt opgeslagen en verwerkt.
Qubits, oftewel quantumbits, zijn de bouwstenen van een quantumcomputer. Het is echter uiterst moeilijk om specifieke verstrengelde toestanden in veel-qubit-systemen te maken, laat staan deze te onderzoeken. Er zijn ook verschillende verstrengelde staten, en het kan een uitdaging zijn om ze uit elkaar te houden.
Nu hebben MIT-onderzoekers een techniek gedemonstreerd om op efficiënte wijze verstrengeling te genereren tussen een reeks supergeleidende qubits die een specifiek soort gedrag vertonen.
De afgelopen jaren hebben de onderzoekers van de groep Engineering Quantum Systems (EQuS) technieken ontwikkeld met behulp van microgolftechnologie om een kwantumprocessor die bestaat uit supergeleidende circuits nauwkeurig te besturen. Naast deze controletechnieken stellen de in dit werk geïntroduceerde methoden de processor in staat om op efficiënte wijze zeer verstrengelde toestanden te genereren en die toestanden van het ene type verstrengeling naar het andere te verschuiven, ook tussen typen die waarschijnlijk kwantumversnelling ondersteunen en typen die kwantumversnelling ondersteunen. niet.
"Hier demonstreren we dat we de opkomende kwantumprocessors kunnen gebruiken als een hulpmiddel om ons begrip van de natuurkunde te vergroten. Hoewel alles wat we in dit experiment deden op een schaal was die nog steeds op een klassieke computer kan worden gesimuleerd, hebben we een goede routekaart voor het opschalen van deze technologie en methodologie buiten het bereik van klassiek computergebruik", zegt Amir H. Karamlou '18, MEng '18, Ph.D. '23, de hoofdauteur van het artikel.
Het onderzoek verschijnt in Nature .
Verstrengeling beoordelen
In een groot kwantumsysteem dat uit veel onderling verbonden qubits bestaat, kan men verstrengeling beschouwen als de hoeveelheid kwantuminformatie die wordt gedeeld tussen een bepaald subsysteem van qubits en de rest van het grotere systeem.
De verstrengeling binnen een kwantumsysteem kan worden gecategoriseerd als gebiedswet of volumewet, gebaseerd op hoe deze gedeelde informatie schaalt met de geometrie van subsystemen. Bij volumewetverstrengeling groeit de mate van verstrengeling tussen een subsysteem van qubits en de rest van het systeem proportioneel met de totale omvang van het subsysteem.
Aan de andere kant hangt de verstrengeling van de gebiedswet af van het aantal gedeelde verbindingen dat bestaat tussen een subsysteem van qubits en het grotere systeem. Naarmate het subsysteem zich uitbreidt, groeit de mate van verstrengeling alleen maar langs de grens tussen het subsysteem en het grotere systeem.
In theorie houdt de vorming van volume-wetverstrengeling verband met wat quantum computing zo krachtig maakt.
"Hoewel we de rol die verstrengeling speelt in kwantumalgoritmen nog niet volledig hebben geabstraheerd, weten we wel dat het genereren van volumewetverstrengeling een belangrijk ingrediënt is voor het realiseren van een kwantumvoordeel", zegt Oliver.
De verstrengeling van het volumerecht is echter ook complexer dan de verstrengeling van het gebiedsrecht en op grote schaal praktisch onbetaalbaar om te simuleren met behulp van een klassieke computer.
“Naarmate je de complexiteit van je kwantumsysteem vergroot, wordt het steeds moeilijker om het met conventionele computers te simuleren. Als ik bijvoorbeeld een systeem met 80 qubits volledig in de gaten wil houden, dan zou ik meer informatie moeten opslaan dan wat ik nodig heb. we hebben de hele geschiedenis van de mensheid opgeslagen”, zegt Karamlou.
De onderzoekers creëerden een kwantumprocessor en een controleprotocol waarmee ze beide soorten verstrengeling efficiënt konden genereren en onderzoeken.
Hun processor bestaat uit supergeleidende circuits, waarmee kunstmatige atomen worden gemaakt. De kunstmatige atomen worden gebruikt als qubits, die met hoge nauwkeurigheid kunnen worden aangestuurd en uitgelezen met behulp van microgolfsignalen.
Het apparaat dat voor dit experiment werd gebruikt, bevatte 16 qubits, gerangschikt in een tweedimensionaal raster. De onderzoekers hebben de processor zorgvuldig afgesteld, zodat alle zestien qubits dezelfde overgangsfrequentie hebben. Vervolgens pasten ze tegelijkertijd een extra microgolfaandrijving toe op alle qubits.
Als deze microgolfaandrijving dezelfde frequentie heeft als de qubits, genereert deze kwantumtoestanden die volumewetverstrengeling vertonen. Naarmate de microgolffrequentie echter toeneemt of afneemt, vertonen de qubits minder verstrengeling van de volumewetten en gaan uiteindelijk over naar verstrengelde toestanden die steeds meer een gebiedswet-schaling volgen.
Zorgvuldige controle
"Ons experiment is een hoogstandje van de mogelijkheden van supergeleidende kwantumprocessors. In één experiment hebben we de processor zowel als een analoog simulatieapparaat gebruikt, waardoor we staten met verschillende verstrengelingsstructuren efficiënt kunnen voorbereiden, en als een digitaal computerapparaat dat nodig is om de daaruit voortvloeiende verstrengelingsschaling te meten", zegt Rosen.
Om die controle mogelijk te maken, heeft het team jaren werk gestoken in het zorgvuldig opbouwen van de infrastructuur rond de kwantumprocessor.
Door de overgang van volumewet naar gebiedswetverstrengeling aan te tonen, bevestigden de onderzoekers experimenteel wat theoretische studies hadden voorspeld. Belangrijker nog is dat deze methode kan worden gebruikt om te bepalen of de verstrengeling in een generieke kwantumprocessor gebiedswet of volumewet is.
"Het MIT-experiment onderstreept het onderscheid tussen verstrengeling van gebiedswetten en volumewetten in tweedimensionale kwantumsimulaties met behulp van supergeleidende qubits. Dit vormt een prachtige aanvulling op ons werk op het gebied van verstrengeling van Hamiltoniaanse tomografie met gevangen ionen in een parallelle publicatie gepubliceerd in Nature ik> in 2023", zegt Peter Zoller, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Innsbruck, die niet bij dit werk betrokken was.
"Het kwantificeren van verstrengeling in grote kwantumsystemen is een uitdagende taak voor klassieke computers, maar een goed voorbeeld van waar kwantumsimulatie zou kunnen helpen", zegt Pedram Roushan van Google, die ook niet bij het onderzoek betrokken was.
"Met behulp van een 2D-array van supergeleidende qubits konden Karamlou en collega's de verstrengelingsentropie van verschillende subsystemen van verschillende groottes meten. Ze meten de bijdragen van de volumewet en de gebiedswet aan de entropie, waardoor crossover-gedrag wordt onthuld terwijl de kwantumtoestandsenergie van het systeem wordt afgestemd . Het demonstreert op krachtige wijze de unieke inzichten die kwantumsimulators kunnen bieden."
In de toekomst zouden wetenschappers deze techniek kunnen gebruiken om het thermodynamische gedrag van complexe kwantumsystemen te bestuderen, wat te complex is om te bestuderen met de huidige analytische methoden en praktisch onbetaalbaar om te simuleren op zelfs de krachtigste supercomputers ter wereld.
"De experimenten die we in dit werk hebben gedaan, kunnen worden gebruikt om grootschalige kwantumsystemen te karakteriseren of te benchmarken, en we kunnen ook iets meer leren over de aard van verstrengeling in deze veeldeeltjessystemen", zegt Karamlou.