Forskere beskriver spin-boson-systemer til at konfigurere kvanteenheder

Mange af nutidens kvanteenheder er afhængige af samlinger af qubits, også kaldet spins. Disse kvantebits har kun to energiniveauer, "0" og "1". Men spins i rigtige enheder interagerer også med lys og vibrationer kendt som bosoner, hvilket i høj grad komplicerer beregninger.

I en ny publikation i Physical Review Letters , demonstrerer forskere i Amsterdam en måde at beskrive spin-boson-systemer og bruge dette til effektivt at konfigurere kvanteenheder i en ønsket tilstand.

Kvanteenheder bruger kvantepartiklernes skæve adfærd til at udføre opgaver, der går ud over, hvad "klassiske" maskiner kan gøre, herunder kvanteberegning, simulering, sansning, kommunikation og metrologi. Disse enheder kan antage mange former, såsom en samling af superledende kredsløb eller et gitter af atomer eller ioner, der holdes på plads af lasere eller elektriske felter.

Uanset deres fysiske realisering beskrives kvanteenheder typisk i forenklede termer som en samling af interagerende to-niveau kvantebits eller spins. Disse spins interagerer dog også med andre ting i deres omgivelser, såsom lys i superledende kredsløb eller svingninger i gitteret af atomer eller ioner. Lyspartikler (fotoner) og vibrationstilstande i et gitter (fononer) er eksempler på bosoner.

I modsætning til spins, som kun har to mulige energiniveauer ("0" eller "1"), er antallet af niveauer for hver boson uendeligt. Derfor er der meget få beregningsværktøjer til at beskrive spins koblet til bosoner.

I deres nye arbejde arbejder fysikerne Liam Bond, Arghavan Safavi-Naini og Jiří Minář fra University of Amsterdam, QuSoft og Centrum Wiskunde &Informatica omkring denne begrænsning ved at beskrive systemer sammensat af spins og bosoner ved hjælp af såkaldte ikke-Gaussiske stater. Hver ikke-Gaussisk stat er en kombination (en superposition) af meget simplere Gaussiske stater.

Hvert blå-rødt mønster på billedet ovenfor repræsenterer en mulig kvantetilstand af spin-boson-systemet. "En gaussisk stat ville ligne en almindelig rød cirkel uden nogle interessante blå-røde mønstre," forklarer Ph.D. kandidat Liam Bond. Et eksempel på en Gaussisk tilstand er laserlys, hvor alle lysbølger er perfekt synkroniserede.

"Hvis vi tager mange af disse Gaussiske stater og begynder at overlappe dem (så de er i en superposition), dukker disse smukt indviklede mønstre op. Vi var særligt begejstrede, fordi disse ikke-Gaussiske stater giver os mulighed for at bevare en masse af de kraftfulde matematiske maskineri, der eksisterer for gaussiske stater, samtidig med at det gør os i stand til at beskrive et langt mere forskelligartet sæt af kvantetilstande," siger Bond.

"Der er så mange mulige mønstre, at klassiske computere ofte kæmper med at beregne og behandle dem. I stedet bruger vi i denne publikation en metode, der identificerer de vigtigste af disse mønstre og ignorerer de andre. Dette lader os studere disse kvantesystemer og designe nye måder at forberede interessante kvantetilstande på."

Den nye tilgang kan udnyttes til effektivt at forberede kvantetilstande på en måde, der overgår andre traditionelt anvendte protokoller. "Hurtig kvantetilstandsforberedelse kan være nyttig til en lang række applikationer, såsom kvantesimulering eller endda kvantefejlkorrektion," bemærker Bond.

Forskerne demonstrerer også, at de kan bruge ikke-Gaussiske tilstande til at forberede "kritiske" kvantetilstande, som svarer til et system, der gennemgår en faseovergang. Ud over grundlæggende interesse kan sådanne tilstande i høj grad øge kvantesensorers følsomhed.

Selvom disse resultater er meget opmuntrende, er de kun et første skridt mod mere ambitiøse mål. Indtil videre er metoden blevet demonstreret for et enkelt spin. En naturlig, men udfordrende udvidelse er at inkludere mange spins og mange bosoniske tilstande på samme tid. En parallel retning er at tage højde for virkningerne af miljøet, der forstyrrer spin-boson-systemerne. Begge disse tilgange er under aktiv udvikling.