Eksperimenter udforsker defekter og fluktuationer i kvanteenheder

Eksperimentel forskning udført af et fælles hold fra Los Alamos National Laboratory og D-Wave Quantum Systems undersøger den paradoksale rolle af fluktuationer i at inducere magnetisk bestilling på et netværk af qubits.

Ved at bruge en D-Wave kvanteudglødningsplatform fandt holdet ud af, at fluktuationer kan sænke den samlede energi af de interagerende magnetiske momenter, en forståelse, der kan hjælpe med at reducere omkostningerne ved kvantebehandling i enheder.

"I denne forskning, i stedet for at fokusere på jagten på overlegen kvantecomputer-ydeevne i forhold til klassiske modparter, sigtede vi på at udnytte et tæt netværk af indbyrdes forbundne qubits til at observere og forstå kvanteadfærd," sagde Alejandro Lopez-Bezanilla, en fysiker i den teoretiske division i Los Alamos.

Fremme orden ved at tilføje udsving

Som beskrevet i en artikel offentliggjort i Nature Communications , undersøgte holdet det komplekse samspil mellem cirka 2.000 qubits inden for et asymmetrisk sekskantet gitter. De undersøgte virkningen af ​​faktorer, der typisk inducerer uorden på magnetiske momenter – det lille magnetfelt, der skabes af de superledende qubits.

Holdet introducerede fluktuationer, hvilket betyder dynamiske ændringer i justeringen og arrangementet af magnetiske momenter, som blev drevet af både termiske effekter, forbundet med temperatur og kvanteeffekter, som følge af anvendelsen af ​​et eksternt magnetfelt. Det gav dem mulighed for at eksperimentere med entropi, magnetiske øjeblikke og uorden på det "frustrerede" magnetiske gitter, de havde designet.

Resultaterne viste sig at være et kontraintuitivt argument:Under nogle fysiske forhold opstår konfigurationer med en klynget fordeling af defekter som den mere sandsynlige tilstand, hvilket udfordrer konventionelle antagelser om forholdet mellem lidelse og entropi. Hvis den fremherskende forventning er, at konfigurationer med højere entropi skulle udvise større uorden, var holdet i stand til at demonstrere i et kvantesystem, at ordnede tilstande karakteriseret ved specifikke mønstre kan opstå, beslægtet med "orden efter uorden"-processen, selv når det tilsyneladende er uorden- inducerende faktorer er til stede.

"Ideen om, at vi kunne fremme orden ved at tilføje termiske udsving og endda forbedre den ved at tilføje kvanteudsving, kan virke paradoksal," sagde Cristiano Nisoli, laboratoriefysiker og medforfatter af undersøgelsen. "Men vi har været i stand til i detaljer at observere, hvordan udsving påvirker de mekanismer og fysiske forhold, der fører til defektklyngning. Den indsigt kan pege os på forbedringer i den måde, kvantesystemer er bygget på."

I fremtiden vil yderligere udviklinger af D-Wave kvanteplatformen og eksperimentelle kapaciteter give forskere mulighed for at fokusere unikt på kvanteudsvings rolle og adskille dem fra den samtidige indflydelse fra termiske udsving.

Flere oplysninger: Alejandro Lopez-Bezanilla et al., Kvantefluktuationer driver ikke-monotone korrelationer i et qubit-gitter, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44281-0

Leveret af Los Alamos National Laboratory