_ Oamenii de știință reglează încurcătura structură într-o matrice de qubiți

Entanglementul este o formă de corelație între obiectele cuantice, cum ar fi particulele la scară atomică. Legile fizicii clasice nu pot explica acest fenomen unic cuantic, dar este una dintre proprietățile care explică comportamentul macroscopic al sistemelor cuantice.

Deoarece încurcarea este esențială pentru modul în care funcționează sistemele cuantice, o înțelegere mai bună ar putea fi oferă oamenilor de știință o idee mai profundă a modului în care informațiile sunt stocate și procesate eficient în astfel de sisteme.

Qubiții sau biții cuantici sunt elementele de bază ale unui computer cuantic. Cu toate acestea, este extrem de dificil să faci stări încurcate specifice în sisteme cu mulți qubiți, cu atât mai puțin să le investighezi. Există, de asemenea, o varietate de stări încurcate, iar deosebirea acestora poate fi o provocare.

Acum, cercetătorii de la MIT au demonstrat o tehnică pentru a genera în mod eficient încurcarea între o serie de qubiți supraconductori care prezintă un anumit tip de comportament.

În ultimii ani, cercetătorii de la grupul Engineering Quantum Systems (EQuS) au dezvoltat tehnici folosind tehnologia cu microunde pentru a controla cu precizie un procesor cuantic compus din circuite supraconductoare. În plus față de aceste tehnici de control, metodele introduse în această lucrare permit procesorului să genereze în mod eficient stări extrem de încurcate și să schimbe acele stări de la un tip de încurcare la altul, inclusiv între tipurile care sunt mai susceptibile de a sprijini accelerarea cuantică și cele care nu sunt.

„Aici, demonstrăm că putem utiliza procesoarele cuantice emergente ca un instrument pentru a ne îmbunătăți înțelegerea fizicii. În timp ce tot ceea ce am făcut în acest experiment a fost la o scară care poate fi încă simulată. pe un computer clasic, avem o foaie de parcurs bună pentru scalarea acestei tehnologii și metodologie dincolo de raza de calcul clasică”, spune Amir H. Karamlou '18, MEng '18, Ph.D. '23, autorul principal al lucrării.

Cercetarea apare în Nature.

Într-un sistem cuantic mare care cuprinde mulți qubiți interconectați, se poate gândi la întanglement ca la cantitatea cuantică. informațiile partajate între un anumit subsistem de qubiți și restul sistemului mai mare.

Împrecările într-un sistem cuantic poate fi clasificată ca legea zonei sau legea volumului pe baza modului în care această informație partajată se scalează cu geometria a subsistemelor. În încrucișarea cu legea volumului, cantitatea de încurcare între un subsistem de qubiți și restul sistemului crește proporțional cu dimensiunea totală a subsistemului.

Pe de altă parte, încrucișarea prin legea zonă depinde de modul în care multe conexiuni partajate există între un subsistem de qubiți și sistemul mai mare. Pe măsură ce subsistemul se extinde, cantitatea de încurcătură crește doar de-a lungul graniței dintre subsistem și sistemul mai mare.

În teorie, formarea încurcării legii volumului este legată de ceea ce face ca calculul cuantic să fie atât de puternic.

„Deși nu am abstractizat încă pe deplin rolul pe care îl joacă întricarea în algoritmii cuantici, știm că generarea de încrucișări prin legea volumului este un ingredient cheie pentru realizarea unui avantaj cuantic”, spune Oliver.

Cu toate acestea, încrucișarea cu legea volumului este, de asemenea, mai complexă decât încâlcirea prin legea zonei și practic prohibitivă la scară pentru a simula folosind un computer clasic.

„Pe măsură ce creșteți complexitatea sistemului dvs. cuantic, acesta devine Din ce în ce mai dificil să-l simulez cu computerele convenționale Dacă încerc să țin evidența unui sistem cu 80 de qubiți, de exemplu, atunci ar trebui să stochez mai multe informații decât ceea ce am stocat de-a lungul istoriei umanității", spune Karamlou.

Cercetătorii au creat un procesor cuantic și un protocol de control care le-a permis să genereze și să probeze eficient ambele tipuri de încurcături.

Procesorul lor cuprinde circuite supraconductoare, care sunt folosite pentru a crea atomii artificiali. Atomii artificiali sunt utilizați ca qubiți, care pot fi controlați și citiți cu mare precizie folosind semnale cu microunde.

Dispozitivul folosit pentru acest experiment conținea 16 qubiți aranjați într-o grilă bidimensională. Cercetătorii au reglat cu atenție procesorul, astfel încât toți cei 16 qubiți să aibă aceeași frecvență de tranziție. Apoi, au aplicat o unitate suplimentară de microunde tuturor qubiților simultan.

Dacă această unitate de microunde are aceeași frecvență ca și qubiții, generează stări cuantice care prezintă încrucișarea legii volumului. Cu toate acestea, pe măsură ce frecvența microundelor crește sau scade, qubiții prezintă mai puțină încurcare a legii volumului, trecând în cele din urmă la stări încurcate care urmează din ce în ce mai mult o scalare a legii zonei.

„Experimentul nostru este un tur de forță al capabilitățile procesoarelor cuantice supraconductoare Într-un experiment, am operat procesorul atât ca dispozitiv de simulare analogic, permițându-ne să pregătim în mod eficient stări cu diferite structuri de încrucișare, cât și ca dispozitiv de calcul digital, necesar pentru a măsura scalarea întanglementului care rezultă. Rosen.

Pentru a permite acest control, echipa a depus ani de muncă în construirea cu atenție a infrastructurii din jurul procesorului cuantic.

Demonstrând trecerea de la legea volumului la legea zonei. împletirea, cercetătorii au confirmat experimental ceea ce au prezis studiile teoretice. Mai important, această metodă poate fi folosită pentru a determina dacă întâlnirea într-un procesor cuantic generic este legea zonei sau legea volumului.

„Experimentul MIT subliniază distincția dintre legea zonă și legea volumului. în simulări cuantice bidimensionale folosind qubiți supraconductori. Acest lucru completează frumos munca noastră privind tomografia hamiltoniană închegată cu ioni prinși într-o publicație paralelă publicată în Nature în 2023”, spune Peter Zoller, profesor de fizică teoretică la Universitatea din Innsbruck. nu este implicat în această lucrare.

„Cuantificarea întanglementării în sisteme cuantice mari este o sarcină dificilă pentru computerele clasice, dar un bun exemplu de unde ar putea ajuta simularea cuantică”, spune Pedram Roushan de la Google, care nu a fost implicat. în studiu.

„Folosind o matrice 2D de qubiți supraconductori, Karamlou și colegii au fost capabili să măsoare entropia de încrucișare a diferitelor subsisteme de diferite dimensiuni. Ei măsoară contribuțiile legii volumului și legii ariei la entropie, dezvăluind comportamentul de încrucișare pe măsură ce energia de stare cuantică a sistemului este reglată. Ea demonstrează puternic perspectivele unice pe care le pot oferi simulatoarele cuantice.”

În viitor, oamenii de știință ar putea utiliza această tehnică pentru a studia comportamentul termodinamic al sistemelor cuantice complexe, care este prea complex pentru a fi studiat folosind metodele analitice actuale și practic prohibitiv de simulat chiar și pe cele mai puternice supercalculatoare din lume.

„Experimentele pe care le-am făcut în această lucrare pot fi folosite pentru a caracteriza sau compara sistemele cuantice la scară mai mare și, de asemenea, putem afla ceva mai multe despre natură. de încurcare în aceste sisteme cu mai multe corpuri”, spune Karamlou.

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetarea MIT, inovație și predare.

(Fluierul)