Under de senaste åren har det har gjorts betydande framsteg i utvecklingen av digitala kvantdatorer och simulatorer. Dessa framväxande fysiska system öppnar upp oöverträffade möjligheter för att kontrollera och mäta en mängd olika kvantdynamik. Som ett resultat, några grundläggande frågor i många-kroppsfysik som tidigare skulle ha ansetts vara spekulativa och utanför området för experimentell utforskning kan nu undersökas i laboratoriemiljöer.

Forskare vid Stanford University har nyligen genomfört en studie som utforskar kvantmätningarnas roll i många kroppsdynamik. I deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , de presenterade specifikt ett protokoll som kan användas för att realisera dynamik som inkluderar kvantmätningar i kvantdatorer och kvantsimulatorer, samtidigt som man undviker ett procedursteg som kallas efterval.

"Mätningar har en speciell plats i kvantfysiken:De får systemet att plötsligt "kollapsera" till ett av flera möjliga mätresultat, valt slumpmässigt, " Matteo Ippoliti och Vedika Khemani, de två forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Till exempel, tänk på Schrödingers katt i en "superposition" av levande och döda i en låda - så snart lådan öppnas, kattens tillstånd kollapsar till antingen levande eller död. I kontrast, kvantsystem som är "lämnade ensamma" utvecklas på ett deterministiskt sätt, även känd som "enhetlig" dynamik."

Under de senaste åren, delvis motiverad av de senaste framstegen i utvecklingen av kvantberäkningsenheter, många forskare har börjat studera samspelet mellan kvantmätningar och enhetlig dynamik i många kroppar. Intressant, de förutspådde att tillstånd som produceras av dessa enheter skulle uppvisa en varierad uppsättning nya fenomen. Senare, dessa observationer blev fokus för många teoretiska studier.

"Från en experimentell synvinkel, kvantmätningarnas slumpmässighet utgör ett stort problem:För att på ett tillförlitligt sätt kunna göra samma tillstånd (nödvändigt för att mäta dess egenskaper, eller för att använda den i applikationer), man måste replikera samma slumpmässiga sekvens av mätresultat om och om igen, " Ippoliti och Khemani förklarade. "Detta är en exponentiellt sällsynt händelse, gillar att kasta ett mynt många gånger och få en rak sekvens av huvuden, och det är inte en teknisk begränsning utan snarare en konsekvens av kvantmekanikens grundläggande regler. Detta är problemet med "efterval."

För att mäta intrassling i icke-enhetlig dynamik, forskare skulle behöva upprepa ett experiment många gånger för att uppfylla detta "eftervalskrav", vilket skulle vara oöverkomligt svårt. Det primära syftet med studien som utfördes av Ippoliti och Khemani var att ta fram en strategi för att möjliggöra experimentell realisering av denna dynamik utan behov av efterval. De föreslog att detta skulle kunna uppnås genom att byta roller av rum och tid, utnyttja en idé som kallas rumtidsdualitet.

"I enkla termer, tänk dig att ha en uppsättning kvantbitar (qubits) i ditt labb, ordnade på en linje, på plats ett, två, etc., " Ippoliti och Khemani sa. "Dessa kan göras för att interagera med sina grannar och därmed utvecklas med tiden, beskriver en kvantberäkning. Föreställ dig nu ett "virtuellt" system som existerar i laboratoriets tidsriktning och utvecklas i rymdriktningen - att flytta från qubit ett till två i labbet innebär att utveckla detta virtuella system under en tidsenhet, etc."

Den "virtuella utvecklingen" av systemet som undersöktes av forskarna visade sig vara icke-enhetligt, vilket i huvudsak innebär att det innehåller vissa mätelement. Dessa element, dock, är helt deterministiska och kan reproduceras tillförlitligt och upprepade gånger. Denna avgörande egenskap gjorde det möjligt för dem att översätta sin idé till ett protokoll för att realisera och studera intrasslingsdynamik i kvantsimulatorer.

"Idéerna bakom vår studie kan verka ganska abstrakta, men vi översätter dem till ett specifikt protokoll som kan köras på dagens digitala kvantsimulatorer, " Ippoliti och Khemani sa. "Detta skapar en direkt väg för att experimentellt studera dessa nya typer av kvantdynamik som involverar mätningar, samtidigt som några spännande teoretiska idéer närmar sig förverkligande."

I framtiden, protokollet som utarbetats av Ippoliti och Khemani kan öppna upp nya möjligheter för att studera intrasslingsdynamik i kvantsystem. Dessutom, deras arbete skulle kunna informera utvecklingen av nya strategier för att skydda information som lagras i befintliga och nyutvecklade kvantenheter. Idén om 'rumtidsdualitet' som introducerades av dessa forskare skulle också kunna användas för att studera många fysiska fenomen och dynamik associerade med kvantsystem.

"Vi undersöker för närvarande vilka typer av intressanta tillstånd som kan förberedas på detta sätt, och hur de kan ansluta till faserna av kvantmateria vi känner till, " Ippoliti och Khemani tillade. "I en mer allmän anmärkning, vår forskning kommer att vara informerad av denna nya era av kvantberäkning och simulering, med dubbla mål:å ena sidan, upptäcka nya fundamentala fenomen som möjliggjorts av denna tekniska utveckling; på den andra, eftersträva nya grundläggande idéer som kan påverka själva tekniken, särskilt nya sätt att lagra och manipulera kvantinformation som är informerad av dynamik."

© 2021 Science X Network