Nos últimos anos, os físicos realizaram extensos estudos com foco na tecnologia quântica e nos sistemas quânticos de muitos corpos. Dois processos dinâmicos fora do equilíbrio que têm atraído atenção particular neste campo são a termalização quântica e a mistura de informações.
A termalização, ou "o relaxamento para o equilíbrio", é um processo através do qual os sistemas quânticos de muitos corpos atingem o equilíbrio térmico. O embaralhamento de informações, por outro lado, envolve a dispersão de informações locais em emaranhados quânticos de muitos corpos, que são distribuídos por um sistema quântico de muitos corpos.
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, do Centro de Pesquisa de Ciências Quânticas de Xangai e da Academia Chinesa de Ciências observaram recentemente a termalização e a confusão de informações em um processador quântico supercondutor. Suas descobertas, publicadas em um artigo na Physical Review Letters, podem abrir caminho para novos estudos com foco na termodinâmica de sistemas quânticos de muitos corpos.
"As propriedades de não equilíbrio dos sistemas quânticos de muitos corpos são relevantes para saber se a integrabilidade do sistema quântico é quebrada", disse Xiaobo Zhu, um dos pesquisadores que realizou o estudo, à Phys.org. "Especificamente, a termalização e a confusão de informações falham durante a dinâmica de não equilíbrio dos férmions livres unidimensionais como um sistema integrável."
Investigar experimentalmente a termalização e a codificação de informações em sistemas quânticos integráveis e não integráveis pode ser particularmente desafiador, por dois motivos principais. Em primeiro lugar, isso requer a implementação experimental de ambos os tipos de sistemas no mesmo simulador quântico.
Além disso, para conduzir com sucesso esses experimentos, os pesquisadores precisam ser capazes de coletar medições precisas e eficientes de entropia de emaranhamento e informações mútuas tripartidas. Essas medições permitem que os cientistas quantifiquem a termalização e a confusão de informações, respectivamente, normalmente usando uma abordagem conhecida como tomografia de estado quântico multi-qubit.
"Em nosso trabalho recente, usando um circuito supercondutor tipo escada programável composto por 24 qubits, estudamos experimentalmente a termalização e o embaralhamento na cadeia e escada de 12 qubits, realizando simulações quânticas do modelo 1D XX, que pode ser mapeado a férmions livres, um sistema integrável típico, e o modelo XX-ladder como um sistema não integrável", explicou Zhu. “Observamos dois comportamentos dinâmicos distintos da cadeia e escada de matriz qubit, demonstrando que a integrabilidade desempenha um papel fundamental na termalização e na codificação de informações”.
Zhu e seus colegas decidiram estudar a termalização quântica e a codificação de informações em um processador quântico supercondutor caracterizado por uma alta programabilidade. Ao ajustar todos os qubits para as mesmas frequências de interação, eles foram capazes de estudar experimentalmente a dinâmica de não equilíbrio da cadeia e escada de qubit.
"Após a evolução do tempo, podemos medir os observáveis locais projetando todos os qubits nas projeções Z", disse Zhu. "Também usamos tomografia de estado quântico multi-qubit de alta precisão para medir a entropia de emaranhamento e a informação mútua tripartida (TMI). A arquitetura do tipo escada do circuito supercondutor nos permitiu estudar a cadeia 1D integrável e a escada não integrável no mesmo processador quântico."
Zhu e seus colegas investigaram primeiro a termalização e a codificação de informações em sua cadeia e escada de matriz de qubits altamente programáveis do circuito supercondutor. Suas observações sugerem que a integrabilidade afeta significativamente as propriedades de sistemas quânticos de muitos corpos fora do equilíbrio.
"Também observamos um valor negativo estável de TMI no sistema não integrável, que é a primeira assinatura experimental de embaralhamento de informações, caracterizada via TMI, estabelecendo as bases para estudos experimentais adicionais sobre TMI em outras plataformas", Zhu disse.
Além de reunir informações interessantes sobre a relevância da integrabilidade de um sistema na determinação de suas propriedades fora do equilíbrio e revelar uma assinatura de embaralhamento de informações, Zhu e seus colegas foram os primeiros a estudar sistemas quânticos de muitos corpos usando um processador quântico altamente programável.
No futuro, o tamanho do circuito que eles usaram pode ser expandido ainda mais, para realizar cálculos que seriam mais difíceis de realizar usando computadores clássicos. Em seus próximos estudos, os pesquisadores gostariam de expandir seus trabalhos recentes, seguindo duas direções principais de pesquisa.
"Em primeiro lugar, planejamos incluir mais qubits para formar um sistema maior de muitos corpos", acrescentou Zhu. "Em segundo lugar, planejamos melhorar a programabilidade do processador quântico. No processador quântico supercondutor de última geração 'Zuchongzhi 2.0', demonstramos com sucesso a vantagem quântica. Planejamos usar este processador para demonstrar fenômenos mais emocionantes na física de muitos corpos."
Explorar mais
Primeiro bit quântico híbrido baseado em isoladores topológicosMais informações:Qingling Zhu et al, Observation of Thermalization and Information Scrambling in a Superconducting Quantum Processor, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett .128.160502Informações do periódico:
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Citação: Termalização e embaralhamento de informações em um processador quântico supercondutor (2022, 19 de maio) recuperado em 19 de maio de 2022 em https://phys.org/news/2022-05-thermalization-scrambling-superconducting-quantum -processor.htmlEste documento está sujeito a direitos autorais. Além de qualquer negociação justa para fins de estudo ou pesquisa privada, nenhuma parte pode ser reproduzida sem a permissão por escrito. O conteúdo é fornecido apenas para fins informativos.
