V posledních letech provedli fyzici rozsáhlé studie zaměřené na kvantovou technologii a kvantové mnohotělesné systémy. Dva dynamické procesy mimo rovnováhu, které v této oblasti přitahovaly zvláštní pozornost, jsou kvantová termalizace a kódování informací.
Termalizace neboli „uvolnění do rovnováhy“ je proces, jehož prostřednictvím kvantové mnohotělesné systémy dosahují tepelné rovnováhy. Informační scrambling na druhé straně znamená rozptyl místních informací do mnohatělových kvantových propletenců, které jsou distribuovány v celém kvantovém mnohotělovém systému.
Výzkumníci z University of Science and Technology of China, Šanghajského výzkumného centra pro kvantové vědy a Čínské akademie věd nedávno pozorovali jak termalizaci, tak i zakódování informací v supravodivém kvantovém procesoru. Jejich zjištění, publikovaná v článku ve Physical Review Letters, by mohla připravit cestu k novým studiím zaměřeným na termodynamiku kvantových mnohotělesných systémů.
"Nerovnovážné vlastnosti kvantových mnohotělesných systémů jsou relevantní pro to, zda je narušena integrovatelnost kvantového systému," řekl Phys.org Xiaobo Zhu, jeden z výzkumníků, kteří studii provedli. "Konkrétně termalizace a kódování informací selhávají během nerovnovážné dynamiky jednorozměrných volných fermionů jako integrovatelného systému."
Experimentální zkoumání termalizace a kódování informací v integrovatelných i neintegrovatelných kvantových systémech může být obzvláště náročné, a to ze dvou klíčových důvodů. Za prvé to vyžaduje experimentální implementaci obou těchto typů systémů na stejném kvantovém simulátoru.
K úspěšnému provedení těchto experimentů musí být navíc výzkumníci schopni sbírat přesná a účinná měření entropie zapletení a trojstranné vzájemné informace. Tato měření nakonec vědcům umožňují kvantifikovat termalizaci a skramblování informací, typicky pomocí přístupu známého jako multi-qubitová kvantová stavová tomografie.
"V naší nedávné práci jsme pomocí programovatelného supravodivého obvodu žebříkového typu sestávajícího z 24 qubitů experimentálně studovali termalizaci a skramblování ve 12-qubitovém řetězci a žebříku a prováděli jsme kvantové simulace modelu 1D XX, který lze mapovat na volné fermiony, typický integrovatelný systém, a model XX-ladder jako neintegrovatelný systém,“ vysvětlil Zhu. "Pozorovali jsme dvě odlišná dynamická chování řetězce a žebříku qubitových polí, což dokazuje, že integrovatelnost hraje klíčovou roli v termalizaci a kódování informací."
Zhu a jeho kolegové se rozhodli studovat kvantovou termalizaci a kódování informací v supravodivém kvantovém procesoru vyznačujícím se vysokou programovatelností. Naladěním všech qubitů na stejné interagující frekvence byli schopni experimentálně studovat nerovnovážnou dynamiku qubitového řetězce a žebříku.
"Po časovém vývoji můžeme měřit místní pozorovatelné veličiny promítáním všech qubitů do Z projekcí," řekl Zhu. "Také jsme použili vysoce přesnou multi-qubitovou kvantovou stavovou tomografii k měření entropie zapletení a tripartitní vzájemné informace (TMI). Žebříková architektura supravodivého obvodu nám umožnila studovat integrovatelný 1D řetězec a neintegrovatelný žebřík. ve stejném kvantovém procesoru."
Zhu a jeho kolegové nejprve zkoumali termalizaci a kódování informací v řetězci a žebříku qubitového pole jejich vysoce programovatelného supravodivého obvodu. Jejich pozorování naznačují, že integrovatelnost významně ovlivňuje vlastnosti nerovnovážných kvantových mnohotělesných systémů.
"Také jsme pozorovali stabilní zápornou hodnotu TMI v neintegrovatelném systému, což je první experimentální podpis skramblování informací, charakterizovaný pomocí TMI, který položil základy pro další experimentální studie TMI na jiných platformách," Zhu řekl.
Kromě toho, že Zhu a jeho kolegové shromáždili zajímavé poznatky o důležitosti integrovatelnosti systému při určování jeho nerovnovážných vlastností, a odhalili signaturu zašifrování informací, byli mezi prvními, kdo studovali kvantové mnohotělesné systémy pomocí vysoce programovatelný kvantový procesor.
V budoucnu by se velikost obvodu, který používali, mohla dále rozšířit, aby bylo možné provádět výpočty, které by bylo obtížnější provádět na klasických počítačích. Ve svých dalších studiích by vědci rádi rozšířili svou nedávnou práci a sledovali dva hlavní směry výzkumu.
"Za prvé, plánujeme zahrnout více qubitů, abychom vytvořili větší mnohotělesný systém," dodal Zhu. "Za druhé, plánujeme zlepšit programovatelnost kvantového procesoru. Na nejmodernějším supravodivém kvantovém procesoru 'Zuchongzhi 2.0' jsme úspěšně prokázali kvantovou výhodu. Plánujeme použít tento procesor k demonstraci více vzrušujících jevů ve fyzice mnoha těles."
Prozkoumejte dále
První hybridní kvantový bit založený na topologických izolátorechDalší informace:Qingling Zhu et al, Observation of Thermalization and Information Scrambling in a Superconducting Quantum Processor, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett .128.160502Informace o časopise:
© 2022 Science X Network
Citace: Termalizace a zakódování informací v supravodivém kvantovém procesoru (2022, 19. května) získané 19. května 2022 z https://phys.org/news/2022-05-thermalization-scrambling-superconducting-quantum -processor.htmlTento dokument podléhá autorským právům. Kromě jakéhokoli poctivého jednání za účelem soukromého studia nebo výzkumu nesmí být žádná část reprodukována bez písemného souhlasu. Obsah je poskytován pouze pro informační účely.
