Forskere tuner sammenfiltringsstrukturen i en række qubits

Entanglement er en form for korrelation mellem kvanteobjekter, såsom partikler på atomær skala. Den klassiske fysiks love kan ikke forklare dette unikke kvantefænomen, men det er en af ​​de egenskaber, der forklarer kvantesystemernes makroskopiske adfærd.

Fordi sammenfiltring er central for den måde, kvantesystemer fungerer på, kunne en bedre forståelse af det give forskerne en dybere fornemmelse af, hvordan information lagres og behandles effektivt i sådanne systemer.

Qubits eller kvantebits er byggestenene i en kvantecomputer. Det er dog ekstremt svært at lave specifikke sammenfiltrede tilstande i mange-qubit-systemer, endsige at undersøge dem. Der er også en række indviklede tilstande, og det kan være en udfordring at skille dem ad.

Nu har MIT-forskere demonstreret en teknik til effektivt at generere sammenfiltring mellem en række superledende qubits, der udviser en bestemt type adfærd.

I løbet af de seneste år har forskerne ved Engineering Quantum Systems (EQuS) gruppen udviklet teknikker ved hjælp af mikrobølgeteknologi til at styre en kvanteprocessor, der er sammensat af superledende kredsløb præcist. Ud over disse kontrolteknikker gør de metoder, der introduceres i dette arbejde, processoren i stand til effektivt at generere stærkt sammenfiltrede tilstande og flytte disse tilstande fra én type sammenfiltring til en anden – inklusive mellem typer, der er mere tilbøjelige til at understøtte kvantehastigheden og dem, der er ikke.

"Her demonstrerer vi, at vi kan bruge de nye kvanteprocessorer som et værktøj til at fremme vores forståelse af fysik. Selvom alt, hvad vi gjorde i dette eksperiment var på en skala, som stadig kan simuleres på en klassisk computer, har vi en god køreplan for at skalere denne teknologi og metodologi ud over rækkevidden af ​​klassisk databehandling," siger Amir H. Karamlou '18, MEng '18, Ph.D. '23, avisens hovedforfatter.

Forskningen vises i Nature .

Vurderer sammenfiltring

I et stort kvantesystem, der omfatter mange indbyrdes forbundne qubits, kan man tænke på entanglement som mængden af ​​kvanteinformation, der deles mellem et givet undersystem af qubits og resten af ​​det større system.

Sammenfiltringen i et kvantesystem kan kategoriseres som områdelov eller volumenlov baseret på, hvordan denne delte information skalerer med geometrien af ​​delsystemer. I volumenlovssammenfiltring vokser mængden af ​​sammenfiltring mellem et undersystem af qubits og resten af ​​systemet proportionalt med den samlede størrelse af undersystemet.

På den anden side afhænger områdelovssammenfiltring af, hvor mange delte forbindelser der findes mellem et undersystem af qubits og det større system. Efterhånden som undersystemet udvider sig, vokser mængden af ​​sammenfiltring kun langs grænsen mellem undersystemet og det større system.

I teorien er dannelsen af ​​volumen-lovsammenfiltring relateret til, hvad der gør kvanteberegning så kraftfuld.

"Selvom vi endnu ikke helt har abstraheret den rolle, som sammenfiltring spiller i kvantealgoritmer, ved vi, at generering af volumenlovforviklinger er en nøgleingrediens til at realisere en kvantefordel," siger Oliver.

Imidlertid er volumen-lov-sammenfiltring også mere kompleks end område-lov-sammenfiltring og praktisk talt uoverkommeligt i skala at simulere ved hjælp af en klassisk computer.

"Efterhånden som du øger kompleksiteten af ​​dit kvantesystem, bliver det stadig sværere at simulere det med konventionelle computere. Hvis jeg for eksempel forsøger at holde styr på et system med 80 qubits, så ville jeg være nødt til at gemme mere information end hvad vi har lagret gennem hele menneskehedens historie," siger Karamlou.

Forskerne skabte en kvanteprocessor og en kontrolprotokol, der satte dem i stand til at generere og sondere begge typer sammenfiltringer effektivt.

Deres processor består af superledende kredsløb, som bruges til at konstruere kunstige atomer. De kunstige atomer bruges som qubits, som kan styres og udlæses med høj nøjagtighed ved hjælp af mikrobølgesignaler.

Enheden brugt til dette eksperiment indeholdt 16 qubits arrangeret i et todimensionelt gitter. Forskerne tunede omhyggeligt processoren, så alle 16 qubits har samme overgangsfrekvens. Derefter anvendte de et ekstra mikrobølgedrev på alle qubits samtidigt.

Hvis dette mikrobølgedrev har samme frekvens som qubits, genererer det kvantetilstande, der udviser volumen-lovsammenfiltring. Men efterhånden som mikrobølgefrekvensen stiger eller falder, udviser qubits mindre volumen-lov-sammenfiltring og krydser til sidst over til sammenfiltrede tilstande, der i stigende grad følger en områdelovsskalering.

Omhyggelig kontrol

"Vores eksperiment er en tour de force af mulighederne for superledende kvanteprocessorer. I et eksperiment drev vi processoren både som en analog simuleringsenhed, hvilket gør os i stand til at forberede tilstande med forskellige sammenfiltringsstrukturer effektivt, og som en digital computerenhed, der er nødvendig. at måle den efterfølgende sammenfiltringsskalering," siger Rosen.

For at muliggøre denne kontrol har teamet lagt mange års arbejde i omhyggeligt at opbygge infrastrukturen omkring kvanteprocessoren.

Ved at demonstrere overgangen fra volumen-lov til område-lov forviklinger, bekræftede forskerne eksperimentelt, hvad teoretiske undersøgelser havde forudsagt. Endnu vigtigere er det, at denne metode kan bruges til at bestemme, om sammenfiltringen i en generisk kvanteprocessor er område- eller volumen-lov.

"MIT-eksperimentet understreger sondringen mellem område-lov og volumen-lov sammenfiltring i todimensionelle kvantesimuleringer ved hjælp af superledende qubits. Dette supplerer smukt vores arbejde med entanglement Hamiltonian tomografi med fangede ioner i en parallel publikation udgivet i Nature i> i 2023," siger Peter Zoller, professor i teoretisk fysik ved universitetet i Innsbruck, som ikke var involveret i dette arbejde.

"At kvantificere sammenfiltring i store kvantesystemer er en udfordrende opgave for klassiske computere, men et godt eksempel på, hvor kvantesimulering kunne hjælpe," siger Pedram Roushan fra Google, som heller ikke var involveret i undersøgelsen.

"Ved at bruge et 2D-array af superledende qubits var Karamlou og kolleger i stand til at måle sammenfiltringsentropi af forskellige undersystemer af forskellige størrelser. De måler volumenlovens og areallovens bidrag til entropi, og afslører crossover-adfærd, når systemets kvantetilstandsenergi er indstillet . Det demonstrerer kraftfuldt den unikke indsigt, kvantesimulatorer kan tilbyde."

I fremtiden kunne forskere bruge denne teknik til at studere den termodynamiske adfærd af komplekse kvantesystemer, som er for kompleks til at blive studeret ved hjælp af nuværende analytiske metoder og praktisk talt uoverkommelig at simulere på selv verdens mest kraftfulde supercomputere.

"De eksperimenter, vi lavede i dette arbejde, kan bruges til at karakterisere eller benchmarke kvantesystemer i større skala, og vi kan også lære noget mere om arten af ​​sammenfiltring i disse mange-kropssystemer," siger Karamlou.

Flere oplysninger: Amir Karamlou, Sonderende sammenfiltring i et 2D-hard-core Bose-Hubbard-gitter, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07325-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07325-z

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.