Kvantetid i en kvantesimulator

Kvantesimulering spiller en uerstattelig rolle på forskellige områder, uden for omfanget af klassiske computere. I en nylig undersøgelse, Keren Li og et tværfagligt forskerhold på Center for Quantum Computing, Quantum Science and Engineering og Institut for Fysik og Astronomi i Kina, USA Tyskland og Canada. Eksperimentelt simuleret spin-netværkstilstande ved at simulere kvante rumtidstetraeder på en fire-qubit nuklear magnetisk resonans (NMR) kvantesimulator. Den eksperimentelle troskab var over 95 procent. Forskergruppen brugte kvantetetraederne udarbejdet af nuklear magnetisk resonans til at simulere en todimensionel (2-D) spinfoam vertex (model) amplitude, og vise lokal dynamik i kvante rumtiden. Li et al. målte de geometriske egenskaber af de tilsvarende kvantetetraeder for at simulere deres interaktioner. Det eksperimentelle arbejde er et indledende forsøg og et grundlæggende modul til at repræsentere toppunktet i Feynman -diagrammet i spinfoam -formuleringen, for at studere loop quantum gravity (LQG) ved hjælp af kvanteinformationsbehandling. Resultaterne er nu tilgængelige på Communication Physics.

Klassiske computere kan ikke studere store kvantesystemer på trods af vellykkede simuleringer af forskellige fysiske systemer. De systematiske begrænsninger for klassiske computere opstod, da den lineære vækst af kvantesystemstørrelser svarede til den eksponentielle vækst i Hilbert Space, et matematisk fundament for kvantemekanik. Kvantfysikere sigter mod at overvinde problemet ved hjælp af kvantecomputere, der behandler information i sagens natur eller kvantemekanisk for at overgå deres klassiske modparter eksponentielt. I 1982, Fysikeren Richard Feynman definerede kvantecomputere som kvantesystemer, der kan styres for at efterligne eller simulere adfærd eller egenskaber ved relativt mindre tilgængelige kvantesystemer.

I det nuværende arbejde, Li et al. brugte nuklear magnetisk resonans (NMR) med en høj kontrollerbar ydeevne på kvantesystemet til at udvikle simuleringsmetoder. Strategien letter præsentationen af ​​kvantegeometrier af rum og rumtid baseret på analogierne mellem nukleare spin-tilstande i NMR-prøver og spin-netværkstilstande i kvantegravitation. Quantum gravitation sigter mod at forene Einstein -tyngdekraften med kvantemekanik for at udvide vores forståelse af tyngdekraften til Planck -skalaen (1,22 x 10 ¹⁹ GeV). På Planck -skalaen (rumstørrelser, tid og energi) Einsteins tyngdekraft og kontinuum i rumtidens nedbrydning kan erstattes via kvante rumtid. Forskningsmetoder til forståelse af kvantetider er i øjeblikket forankret i spin -netværk (en graf over linjer og knuder, der repræsenterer kvantetilstanden i rummet på et bestemt tidspunkt), som er vigtige, ikke-forstyrrende ramme for kvantegravitation.

I 1971, fysikeren Roger Penrose foreslog spin -netværk motiveret af twistor -teorien med efterfølgende applikationer til at sløjfe kvantegravitation (LQG). Spinnetværkene var kvantetilstande, der repræsenterede fundamentalt diskrete kvantegeometrier af rummet i Planck -skalaen. I denne undersøgelse, forskergruppen repræsenterede spin -netværket ved hjælp af en graf med links og noder farvet af spin -halvdele. For eksempel, enhver knude med kanter svarede til en geometri, og derfor svarede en graf, der indeholder fire-valente noder, til kvante tetraedergeometri.

Forskergruppen udviklede et "netværk" indeholdende et antal tredimensionelle (3-D) verdensark (2-D overflader) og deres skæringspunkter. De viste, at hvert toppunkt, hvor overfladerne mødtes, førte til en kvanteovergang, der ændrede spin -netværket til at repræsentere lokal dynamik i kvantegeometri. Ligesom Feynman -diagrammer (skematiske fremstillinger af matematiske udtryk, der beskriver subatomiske partiklers adfærd), kvantrumsrum koder for overgangsamplituderne og spinfoam -amplituder mellem de indledende og sidste spin -netværk. De kvante rumtider og spinfoam -amplituder, der blev udviklet i undersøgelsen, gav en konsekvent og lovende tilgang til kvantegravitation. Li et al. bød på NMR -simuleringen ved evnen til at styre individuelle qubits med høj præcision. Kvantetetraederne og vertexamplituderne tjente som byggesten til LQG (loop quantum gravity) for at åbne et nyt vindue for at inkludere LQG i kvanteeksperimenter.

Forskerne udledte først ligninger for at beskrive et kvantetetraeder inden for et spin -netværk. I en skematisk 3+1-dimensionel dynamisk kvante rumtidsmodel, de demonstrerede et atom som en 3-kugle, der omsluttede en del af den kvante rumtid, der omgiver et toppunkt. Teamet modellerede grænsen for den vedlagte kvante rumtid præcist som et spin -netværk og viste muligheden for at simulere store kvante rumtiden med mange hjørner ved kvantelimning af atomerne. Den resulterende struktur lignede vertexamplitude af kvante rumtid svarende til tidligere udviklede Ooguris topologiske gittermodeller i fire dimensioner. Forskerne viste LQG til at identificere kvantetetraedergeometrier med kvantevinkelmomenterne. Identifikationen gav dem mulighed for at simulere kvantegeometrier med kvanteregistre (kvantemekanisk analog af et klassisk processorregister). Generelt, et kvanteregister kan matematisk opnås ved hjælp af tensorprodukter.

Under forsøgene, Li et al. simulerede 10 kvantetetraeder ved at forberede de tilsvarende invariant-tensortilstande. De mærkede disse tilstande ved hjælp af 10 farvede punkter på Bloch-kuglen (geometrisk repræsentation) og udførte eksperimenterne på et 700 MHz DRX Bruker-spektrometer ved stuetemperatur. For alle forsøg, forskergruppen brugte crotonsyremolekylet med fire ¹³ C-kerner egnet til fire-qubit-systemet. Forskerne udviklede det eksperimentelle system til at forberede kvantetetraeder og simulere dets lokale dynamik i tre dele.

1. Til statsforberedelse, først initialiserede de hele systemet til en pseudo-ren tilstand. De opnåede en trofasthed over 99 procent ved hjælp af den rumlige gennemsnitlige metode. Derefter kørte de systemet ind i 10 invariant-tensor-tilstande eller transformationer, som de implementerede ved hjælp af 10 formede pulser på 20 ms.
2. Næste, til geometri målinger, teamet præsenterede de målte geometriegenskaber ved hjælp af et 3-D histogram. Den eksperimentelle usikkerhed på dette tidspunkt skyldes NMR-spektrumtilpasningsprocessen. Sammenfaldet mellem eksperimentelle og teoretiske simuleringer indebar, at de invariante tensortilstande, der blev udarbejdet i eksperimenterne, matchede byggestenene - kvantetetraeder.
3. Under amplitude simulering, spin-netværksstaterne tjente som grænsedata for 3+1-dimensionel kvante rumtid. Den toppunktamplitude, der blev defineret i undersøgelsen, bestemte spinfoam-amplituden og beskrev den lokale dynamik i kvantegravitation i 4-D kvante rumtid, at vise egenskaberne for disse grænsedata.

For at opnå toppunktamplituderne, forskerne beregnede de indre produkter mellem fem forskellige kvantetetraederstater. Ideelt set, forskerne kunne have brugt en 20-qubit kvantecomputer, etablering af to-qubit maksimalt indviklede tilstande mellem to vilkårlige tetraeder. Imidlertid, da en kvantecomputer af sådanne dimensioner i øjeblikket er uden for kommercialiseret banebrydende teknologi, forskerne udførte skiftevis fuld tomografi af statsforberedelsen for at indhente oplysninger om kvantetetraederstater. Da forskerne beregnede troværdighederne mellem de eksperimentelle kvantetetraederstater og teori, resultaterne var langt over 95 procent. Ved hjælp af kvante tetraeder, forskergruppen simulerede toppunktamplituden. De sammenlignede resultaterne mellem eksperimentet og den numeriske simulering blandt alle fem tetraeder. Derfor, sadelpunkter for amplituden i eksperimenterne fandt sted, hvor de fem interagerende tetraeder demonstrerede en simpel geometrisk betydning, da de limede til en geometrisk fire-simplex.

På denne måde, Keren Li og kolleger brugte et kvanteregister i NMR-systemet til at oprette 10 invariant-tensor-tilstande til at repræsentere 10 kvantetetraeder. De opnåede en trofasthed over 95 procent og målte efterfølgende modelens dihedrale vinkler (to plane flader). De betragtede spektrumtilpasningsfejl og geometrisk identifikation for at forstå succesen med at simulere kvantetetraeder i undersøgelsen. Det nye forskningsarbejde præsenterede et første skridt til at udforske spin-netværkstilstande og spinfoam-amplituder ved hjælp af en kvantesimulator. Det ledsagende arbejde demonstrerede også gyldige eksperimenter for at studere LGQ.

© 2019 Science X Network