Kvantesimulering:Måling af sammenfiltring gjort lettere

Forskere fra Universitetet i Innsbruck har udviklet en metode til at gøre tidligere vanskeligt tilgængelige egenskaber i kvantesystemer målbare. Den nye metode til at bestemme kvantetilstanden i kvantesimulatorer reducerer antallet af nødvendige målinger og gør arbejdet med kvantesimulatorer meget mere effektivt.

Om nogle år, en ny generation af kvantesimulatorer kunne give indsigt, som ikke ville være mulig ved brug af simuleringer på konventionelle supercomputere. Kvantesimulatorer er i stand til at behandle en stor mængde information, da de kvantemekanisk overlejrer et enormt stort antal bittilstande. Af denne grund, imidlertid, det viser sig også svært at læse denne information ud af kvantesimulatoren. For at kunne rekonstruere kvantetilstanden, et meget stort antal individuelle målinger er nødvendige. Metoden, der bruges til at udlæse kvantetilstanden af ​​en kvantesimulator, kaldes kvantetilstandstomografi.

"Hver måling giver et 'tværsnitsbillede' af kvantetilstanden. Du sætter derefter disse tværsnitsbilleder sammen for at danne den komplette kvantetilstand, " forklarer teoretisk fysiker Christian Kokail fra Peter Zollers team ved Institut for Kvanteoptik og Kvanteinformation ved Det østrigske Videnskabsakademi og Institut for Eksperimentel Fysik ved Universitetet i Innsbruck. Antallet af nødvendige målinger i laboratoriet stiger meget hurtigt med størrelsen af ​​systemet. "Antallet af målinger vokser eksponentielt med antallet af qubits, " siger fysikeren. Innsbruck-forskerne er nu lykkedes med at udvikle en meget mere effektiv metode til kvantesimulatorer.

Effektiv metode, der giver ny indsigt

Indsigt fra kvantefeltteori tillader kvantetilstandstomografi at være meget mere effektiv, dvs. skal udføres med væsentligt færre målinger. "Det fascinerende er, at det slet ikke var klart fra begyndelsen, at forudsigelserne fra kvantefeltteorien kunne anvendes på vores kvantesimuleringseksperimenter, " siger den teoretiske fysiker Rick van Bijnen. "At studere ældre videnskabelige artikler fra dette felt førte os tilfældigvis ned ad dette spor." Kvantefeltteorien giver den grundlæggende ramme for kvantetilstanden i kvantesimulatoren. Der kræves kun få målinger for at passe detaljerne i denne grundlæggende ramme.

Baseret på dette, Innsbruck-forskerne har udviklet en måleprotokol, hvormed tomografi af kvantetilstanden bliver mulig med et drastisk reduceret antal målinger. På samme tid, den nye metode giver mulighed for at opnå ny indsigt i strukturen af ​​kvantetilstanden. Fysikerne testede den nye metode med eksperimentelle data fra en ionfælde-kvantesimulator fra Innsbruck-forskningsgruppen ledet af Rainer Blatt og Christian Roos. "I processen vi var nu i stand til at måle egenskaber af kvantetilstanden, som tidligere ikke var observerbare i denne kvalitet, " fortæller Kokail.

Verifikation af resultatet

En verifikationsprotokol udviklet af gruppen sammen med Andreas Elben og Benoit Vermersch for to år siden kan bruges til at kontrollere, om strukturen af ​​kvantetilstanden rent faktisk stemmer overens med forventningerne fra kvantefeltteorien. "Vi kan bruge yderligere tilfældige målinger til at kontrollere, om den grundlæggende ramme for tomografi, som vi udviklede baseret på teorien, faktisk passer eller er helt forkert, " forklarer Christian Kokail.

Protokollen rejser et rødt flag, hvis rammen ikke passer. Selvfølgelig, dette ville også være et interessant fund for fysikerne, fordi det muligvis ville give spor for det endnu ikke fuldt forståede forhold til kvantefeltteori. I øjeblikket, fysikerne omkring Peter Zoller udvikler kvanteprotokoller, hvor den grundlæggende ramme for kvantetilstanden ikke er lagret på en klassisk computer, men realiseres direkte på kvantesimulatoren.

Undersøgelsen er publiceret i Naturfysik .