Experimenteel onderzoek uitgevoerd door een gezamenlijk team van Los Alamos National Laboratory en D-Wave Quantum Systems onderzoekt de paradoxale rol van fluctuaties bij het induceren van magnetische ordening op een netwerk van qubits.

Met behulp van een D-Wave kwantum-gloeiend platform ontdekte het team dat fluctuaties de totale energie van de op elkaar inwerkende magnetische momenten kunnen verlagen, een inzicht dat kan helpen de kosten van kwantumverwerking in apparaten te verlagen.

"In dit onderzoek hebben we ons, in plaats van ons te concentreren op het nastreven van superieure kwantumcomputerprestaties ten opzichte van klassieke tegenhangers, gericht op het exploiteren van een dicht netwerk van onderling verbonden qubits om kwantumgedrag te observeren en te begrijpen", zegt Alejandro Lopez-Bezanilla, een natuurkundige bij de theoretische afdeling. in Los Alamos.

Orde bevorderen door schommelingen toe te voegen

Zoals beschreven in een artikel gepubliceerd in Nature Communications onderzocht het team het complexe samenspel van ongeveer 2.000 qubits binnen een asymmetrisch hexagonaal rooster. Ze onderzochten de impact van factoren die doorgaans wanorde veroorzaken op magnetische momenten:het kleine magnetische veld dat wordt gecreëerd door de supergeleidende qubits.

Het team introduceerde fluctuaties, die dynamische veranderingen in de uitlijning en rangschikking van magnetische momenten betekenden, die werden aangedreven door zowel thermische effecten, geassocieerd met temperatuur, als kwantumeffecten, als gevolg van de toepassing van een extern magnetisch veld. Hierdoor konden ze experimenteren met entropie, magnetische momenten en wanorde op het 'gefrustreerde' magnetische rooster dat ze hadden ontworpen.

De resultaten bleken een contra-intuïtief argument:onder sommige fysieke omstandigheden komen configuraties met een geclusterde verdeling van defecten naar voren als de meest waarschijnlijke toestand, waardoor conventionele aannames over de relatie tussen wanorde en entropie in twijfel worden getrokken. Als de heersende verwachting is dat configuraties met een hogere entropie een grotere wanorde zouden moeten vertonen, kon het team in een kwantumsysteem aantonen dat geordende toestanden kunnen ontstaan ​​die worden gekenmerkt door specifieke patronen, vergelijkbaar met het proces van 'orde per wanorde', zelfs wanneer er ogenschijnlijk wanorde ontstaat. er zijn inducerende factoren aanwezig.

"Het idee dat we orde kunnen bevorderen door thermische fluctuaties toe te voegen en deze zelfs kunnen versterken door kwantumfluctuaties toe te voegen, lijkt misschien paradoxaal", zegt Cristiano Nisoli, laboratoriumfysicus en co-auteur van de studie. "Maar we hebben tot in detail kunnen observeren hoe fluctuaties de mechanismen en fysieke omstandigheden beïnvloeden die leiden tot clustering van defecten. Dat inzicht kan ons wijzen op verbeteringen in de manier waarop kwantumsystemen worden gebouwd."

In de toekomst zullen aanvullende ontwikkelingen van het D-Wave-kwantumplatform en experimentele mogelijkheden onderzoekers in staat stellen zich op unieke wijze te concentreren op de rol van kwantumfluctuaties, waardoor deze worden losgemaakt van de gelijktijdige invloed van thermische fluctuaties.

Meer informatie: Alejandro Lopez-Bezanilla et al, Kwantumfluctuaties veroorzaken niet-monotone correlaties in een qubit-rooster, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44281-0

Geleverd door Los Alamos Nationaal Laboratorium