Termalisering og informationsforvrængning i en superledende kvanteprocessor

I de senere år har fysikere udført omfattende undersøgelser med fokus på kvanteteknologi og kvante-mangekropssystemer. To ude af ligevægt dynamiske processer, der har tiltrukket sig særlig opmærksomhed på dette felt, er kvantetermalisering og informationsforvrængning.

Termalisering, eller "afspændingen til ligevægt", er en proces, hvorigennem kvante-mange-kropssystemer opnår termisk ligevægt. Informationsforvrængning indebærer på den anden side spredning af lokal information til mange-krop-kvanteforviklinger, som er fordelt gennem et kvante-mange-krop-system.

Forskere ved University of Science and Technology i Kina, Shanghai Research Center for Quantum Sciences og det kinesiske videnskabsakademi har for nylig observeret både termalisering og informationsforvrængning i en superledende kvanteprocessor. Deres resultater, offentliggjort i et papir i Physical Review Letters , kunne bane vejen for nye undersøgelser, der fokuserer på termodynamikken i kvante-mange-kropssystemer.

"De ikke-ligevægtsegenskaber ved kvante-mange-kropssystemer er relevante for, om integrerbarheden af ​​kvantesystemet er brudt," sagde Xiaobo Zhu, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Specifikt fejler termalisering og informationsforvrængning under ikke-ligevægtsdynamik af de endimensionelle frie fermioner som et integrerbart system."

Eksperimentelt at undersøge termalisering og informationsforvrængning i både integrerbare og ikke-integrerbare kvantesystemer kan være særligt udfordrende af to nøgleårsager. For det første kræver dette den eksperimentelle implementering af begge disse typer systemer på den samme kvantesimulator.

For at udføre disse eksperimenter med succes skal forskere desuden være i stand til at indsamle nøjagtige og effektive målinger af sammenfiltringsentropi og treparts gensidig information. Disse målinger giver i sidste ende forskere mulighed for at kvantificere henholdsvis termalisering og informationsforvrængning, typisk ved hjælp af en tilgang kendt som multi-qubit kvantetilstandstomografi.

"I vores seneste arbejde, ved hjælp af et programmerbart stige-type superledende kredsløb bestående af 24 qubits, studerede vi eksperimentelt termalisering og scrambling i 12-qubit kæden og stigen, og udførte kvantesimuleringer af 1D XX-modellen, som kan kortlægges til frie fermioner , et typisk integrerbart system og XX-stigemodellen som et ikke-integrerbart system," forklarede Zhu. "Vi observerede to distinkte dynamiske adfærd i qubit-arraykæden og -stigen, hvilket viser, at integrerbarhed spiller en nøglerolle i termalisering og informationsforvrængning."

Zhu og hans kolleger besluttede at studere kvantetermalisering og informationsforvrængning i en superledende kvanteprocessor karakteriseret ved en høj programmerbarhed. Ved at indstille alle qubits til de samme interagerende frekvenser, var de i stand til eksperimentelt at studere ikke-ligevægtsdynamikken i qubit-kæden og -stigen.

"Efter tidsudviklingen kan vi måle de lokale observerbare ved at projicere alle qubits til Z-projektionerne," sagde Zhu. "Vi brugte også højpræcision multi-qubit kvantetilstandstomografi til at måle sammenfiltringsentropien og den tredelte gensidige information (TMI). Det superledende kredsløbs stigetypearkitektur gjorde det muligt for os at studere den integrerbare 1D-kæde og den ikke-integrerbare stige i den samme kvanteprocessor."

Zhu og hans kolleger undersøgte først termalisering og informationsforvrængning i deres højt programmerbare superledende kredsløbs qubit-arraykæde og -stige. Deres observationer tyder på, at integrerbarhed i væsentlig grad påvirker egenskaberne af kvante-mange-kropssystemer, der er ude af ligevægt.

"Vi observerede også en stabil negativ værdi af TMI i det ikke-integrerbare system, som er den første eksperimentelle signatur af informationskryptering, karakteriseret via TMI, der lægger grundlaget for yderligere eksperimentelle undersøgelser af TMI på andre platforme," sagde Zhu.

Ud over at indsamle interessant indsigt om relevansen af ​​et systems integrerbarhed til at bestemme dets ude-af-ligevægtsegenskaber og afsløre en signatur af informationsforvrængning, var Zhu og hans kolleger blandt de første til at studere kvante-mangekropssystemer ved hjælp af et meget programmerbart kvante processor.

I fremtiden kunne størrelsen af ​​det kredsløb, de brugte, udvides yderligere, for at udføre beregninger, der ville være sværere at udføre ved brug af klassiske computere. I deres næste undersøgelser vil forskerne gerne udvide deres seneste arbejde og forfølge to hovedforskningsretninger.

"For det første planlægger vi at inkludere flere qubits for at danne et større system med mange krop," tilføjede Zhu. "For det andet planlægger vi at forbedre programmerbarheden af ​​kvanteprocessoren. På den avancerede superledende kvanteprocessor 'Zuchongzhi 2.0' har vi med succes demonstreret kvantefordelen. Vi planlægger at bruge denne processor til at demonstrere mere spændende fænomener i mange-kroppens fysik." + Udforsk yderligere

Første hybrid kvantebit baseret på topologiske isolatorer

© 2022 Science X Network