När vi talar om "informationsteknik, "vi menar i allmänhet teknikdelen, som datorer, nätverk, och mjukvara. Men själva informationen, och dess beteende i kvantsystem, är ett centralt fokus för MIT:s tvärvetenskapliga Quantum Engineering Group (QEG) då den strävar efter att utveckla kvantberäkningar och andra tillämpningar av kvantteknologi.

Ett QEG-team har gett oöverträffad insyn i spridningen av information i stora kvantmekaniska system, via en ny mätmetodik och mått som beskrivs i en ny artikel i Physics Review Letters. Teamet har kunnat, för första gången, för att mäta spridningen av korrelationer mellan kvantspinn i fluorapatitkristall, med användning av en anpassning av rumstemperatur-solid-state nuclear magnetic resonance (NMR)-tekniker.

Forskare tror alltmer att en tydligare förståelse av informationsspridning inte bara är avgörande för att förstå hur kvantvärlden fungerar, där klassiska fysiklagar ofta inte gäller, men kan också hjälpa till att konstruera den interna "kabeldragningen" av kvantdatorer, sensorer, och andra enheter.

Ett viktigt kvantfenomen är icke-klassisk korrelation, eller förveckling, i vilka par eller grupper av partiklar interagerar så att deras fysikaliska egenskaper inte kan beskrivas oberoende, även när partiklarna är brett separerade.

Det förhållandet är centralt för ett snabbt framskridande område inom fysik, kvantinformationsteori. Det ger ett nytt termodynamiskt perspektiv där information och energi är sammanlänkade – med andra ord, att informationen är fysisk, och att informationsutbyte på kvantnivå ligger bakom den universella tendensen mot entropi och termisk jämvikt, känd i kvantsystem som termalisering.

QEG-chef Paola Cappellaro, Esther och Harold E. Edgerton docent i kärnteknik och kärnteknik, skrev den nya uppsatsen tillsammans med doktoranden i fysik Ken Xuan Wei och mångårig samarbetspartner Chandrasekhar Ramanathan från Dartmouth College.

Cappellaro förklarar att ett primärt syfte med forskningen var att mäta kampen på kvantnivå mellan två materiatillstånd:termalisering och lokalisering, ett tillstånd där informationsöverföringen är begränsad och tendensen till högre entropi på något sätt motverkas genom oordning. QEG-teamets arbete fokuserade på det komplexa problemet med många kroppslokalisering (MBL) där rollen av spin-spin-interaktioner är avgörande.

Möjligheten att samla in dessa data experimentellt i ett labb är ett genombrott, delvis för att simulering av kvantsystem och lokalisering-termaliseringsövergångar är extremt svårt även för dagens mest kraftfulla datorer. "Problemets storlek blir svårlöst mycket snabbt, när du har interaktioner, " säger Cappellaro. "Du kan simulera kanske 12 snurr med brute force, men det är ungefär det — mycket färre än vad experimentsystemet kan utforska."

NMR-tekniker kan avslöja förekomsten av korrelationer mellan snurr, eftersom korrelerade snurr roterar snabbare under applicerade magnetfält än isolerade snurr. Dock, traditionella NMR-experiment kan bara extrahera partiell information om korrelationer. QEG-forskarna kombinerade dessa tekniker med sin kunskap om spindynamiken i deras kristall, vars geometri ungefär begränsar evolutionen till linjära spinnkedjor.

"Det tillvägagångssättet gjorde det möjligt för oss att räkna ut ett mått, genomsnittlig korrelationslängd, för hur många snurr som är kopplade till varandra i en kedja, " säger Cappellaro. "Om korrelationen växer, den talar om för dig att interaktion vinner mot störningen som orsakar lokalisering. Om korrelationslängden slutar växa, oordning vinner och håller systemet i ett mer kvantlokaliserat tillstånd."

Förutom att kunna skilja på olika typer av lokalisering (som MBL och den enklare Anderson-lokaliseringen) metoden representerar också ett möjligt framsteg mot förmågan att kontrollera dessa system genom införandet av störningar, som främjar lokalisering, tillägger Cappellaro. Eftersom MBL bevarar information och förhindrar att den förvrängs, den har potential för minnesapplikationer.

Forskningens fokus "tar upp en mycket grundläggande fråga om grunden för termodynamiken, frågan om varför system termaliserar och till och med varför begreppet temperatur överhuvudtaget existerar, " säger tidigare MIT postdoc Iman Marvian, som nu är biträdande professor vid Duke Universitys avdelningar för fysik och elektro- och datorteknik. "Under de senaste tio åren eller så har det funnits växande bevis, från analytiska argument till numeriska simuleringar, att även om olika delar av systemet interagerar med varandra, i MBL-fassystemen termaliseras inte. Och det är väldigt spännande att vi nu kan observera detta i ett verkligt experiment."

"Människor har föreslagit olika sätt att upptäcka denna fas av materia, men de är svåra att mäta i ett labb, " Marvian förklarar. "Paolas grupp studerade det från en ny synvinkel och introducerade kvantiteter som kan mätas. Jag är verkligen imponerad över hur de har kunnat utvinna användbar information om MBL från dessa NMR-experiment. Det är stora framsteg, eftersom det gör det möjligt att experimentera med MBL på en naturlig kristall."

Forskningen kunde dra nytta av NMR-relaterade kapaciteter utvecklade under ett tidigare anslag från det amerikanska flygvapnet, säger Cappellaro, och viss ytterligare finansiering från National Science Foundation. Utsikterna för detta forskningsområde är lovande, tillägger hon. "Under en lång tid, den mesta kvantforskningen på många kroppar var fokuserad på jämviktsegenskaper. Nu, eftersom vi kan göra många fler experiment och skulle vilja konstruera kvantsystem, det finns mycket mer intresse för dynamik, och nya program som ägnas åt detta allmänna område. Så förhoppningsvis kan vi få mer finansiering och fortsätta arbetet."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.