Forskare vid universitetet i Innsbruck har utvecklat en metod för att göra tidigare svåråtkomliga egenskaper i kvantsystem mätbara. Den nya metoden för att bestämma kvanttillståndet i kvantsimulatorer minskar antalet nödvändiga mätningar och gör arbetet med kvantsimulatorer mycket mer effektivt.

Om några år, en ny generation kvantsimulatorer skulle kunna ge insikter som inte skulle vara möjliga med hjälp av simuleringar på konventionella superdatorer. Kvantsimulatorer kan bearbeta en stor mängd information eftersom de kvantmekaniskt överlagrar ett enormt stort antal bittillstånd. Av denna anledning, dock, det visar sig också vara svårt att läsa denna information ur kvantsimulatorn. För att kunna rekonstruera kvanttillståndet, ett mycket stort antal individuella mätningar är nödvändiga. Metoden som används för att läsa ut kvanttillståndet i en kvantsimulator kallas kvanttillståndstomografi.

"Varje mätning ger en "tvärsnittsbild" av kvanttillståndet. Du sätter sedan samman dessa tvärsnittsbilder för att bilda det fullständiga kvanttillståndet, " förklarar teoretisk fysiker Christian Kokail från Peter Zollers team vid Institutet för kvantoptik och kvantinformation vid Österrikiska vetenskapsakademin och institutionen för experimentell fysik vid universitetet i Innsbruck. Antalet mätningar som behövs i labbet ökar mycket snabbt med storleken på systemet. "Antalet mätningar växer exponentiellt med antalet qubits, " säger fysikern. Innsbruck-forskarna har nu lyckats utveckla en mycket effektivare metod för kvantsimulatorer.

Effektiv metod som ger nya insikter

Insikter från kvantfältteorin gör att kvanttillståndstomografi kan vara mycket effektivare, dvs. ska utföras med betydligt färre mätningar. "Det fascinerande är att det inte alls var klart från början att förutsägelserna från kvantfältteorin skulle kunna tillämpas på våra kvantsimuleringsexperiment, " säger den teoretiske fysikern Rick van Bijnen. "Att studera äldre vetenskapliga artiklar från detta område råkade leda oss ner på det här spåret." Kvantfältteorin ger den grundläggande ramen för kvanttillståndet i kvantsimulatorn. Endast ett fåtal mätningar behövs då för att passa in detaljerna i denna grundläggande ram.

Baserat på det här, Forskarna från Innsbruck har utvecklat ett mätprotokoll genom vilket tomografi av kvanttillståndet blir möjligt med ett drastiskt minskat antal mätningar. På samma gång, den nya metoden gör det möjligt att få nya insikter i strukturen av kvanttillståndet. Fysikerna testade den nya metoden med experimentella data från en jonfälla kvantsimulator från forskargruppen Innsbruck ledd av Rainer Blatt och Christian Roos. "I processen, vi kunde nu mäta egenskaper hos kvanttillståndet som tidigare inte var observerbara i denna kvalitet, " berättar Kokail.

Verifiering av resultatet

Ett verifieringsprotokoll utvecklat av gruppen tillsammans med Andreas Elben och Benoit Vermersch för två år sedan kan användas för att kontrollera om strukturen i kvanttillståndet faktiskt stämmer överens med förväntningarna från kvantfältteorin. "Vi kan använda ytterligare slumpmässiga mätningar för att kontrollera om det grundläggande ramverket för tomografi som vi utvecklat utifrån teorin faktiskt passar eller är helt fel, " förklarar Christian Kokail.

Protokollet lyfter en röd flagga om ramverket inte passar. Självklart, detta skulle också vara ett intressant fynd för fysikerna, eftersom det möjligen skulle ge ledtrådar för det ännu inte helt förstådda förhållandet till kvantfältteorin. Just nu, fysikerna kring Peter Zoller utvecklar kvantprotokoll där det grundläggande ramverket för kvanttillståndet inte lagras på en klassisk dator, men realiseras direkt på kvantsimulatorn.

Studien publiceras i Naturfysik .