Kredit:Zhu et al.
Under de senaste åren har fysiker genomfört omfattande studier med fokus på kvantteknologi och kvantmångkroppssystem. Två dynamiska processer som inte är i jämvikt som har väckt särskild uppmärksamhet inom detta område är kvanttermisering och informationsförvrängning.
Termalisering, eller "avslappningen till jämvikt", är en process genom vilken kvantsystem för många kroppar uppnår termisk jämvikt. Informationsförvrängning, å andra sidan, innebär spridning av lokal information till många kroppars kvantförvecklingar, som är fördelade över ett kvantmångkroppssystem.
Forskare vid University of Science and Technology i Kina, Shanghai Research Center for Quantum Sciences och Chinese Academy of Sciences har nyligen observerat både termalisering och informationsförvrängning i en supraledande kvantprocessor. Deras resultat, publicerade i en artikel i Physical Review Letters , skulle kunna bana väg för nya studier som fokuserar på termodynamiken hos kvantsystem med många kroppar.
"Icke-jämviktsegenskaperna hos kvantsystem med många kroppar är relevanta för huruvida integrerbarheten av kvantsystemet är bruten", sa Xiaobo Zhu, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Särskilt misslyckas termalisering och informationsförvrängning under icke-jämviktsdynamik hos de endimensionella fria fermionerna som ett integrerbart system."
Att experimentellt undersöka termalisering och informationsförvrängning i både integrerbara och icke-integrerbara kvantsystem kan vara särskilt utmanande, av två viktiga skäl. För det första kräver detta experimentell implementering av båda dessa typer av system på samma kvantsimulator.
Dessutom, för att framgångsrikt genomföra dessa experiment måste forskare kunna samla in korrekta och effektiva mätningar av intrasslingsentropi och tredelad ömsesidig information. Dessa mätningar gör det slutligen möjligt för forskare att kvantifiera termalisering respektive informationsförvrängning, vanligtvis med hjälp av ett tillvägagångssätt som kallas multi-qubit quantum state tomography.
"I vårt senaste arbete, med hjälp av en programmerbar supraledande krets av stegtyp bestående av 24 qubits, studerade vi experimentellt termalisering och förvrängning i 12-qubit-kedjan och stegen, och utförde kvantsimuleringar av 1D XX-modellen, som kan mappas till fria fermioner , ett typiskt integrerbart system, och XX-stegemodellen som ett icke-integrerbart system," förklarade Zhu. "Vi observerade två distinkta dynamiska beteenden hos qubit-arraykedjan och stegen, vilket visar att integrerbarhet spelar en nyckelroll i termalisering och informationsförvrängning."
Zhu och hans kollegor bestämde sig för att studera kvanttermisering och informationskryptering i en supraledande kvantprocessor som kännetecknas av en hög programmerbarhet. Genom att ställa in alla qubits till samma interagerande frekvenser kunde de experimentellt studera icke-jämviktsdynamiken i qubitkedjan och stegen.
"Efter tidsevolutionen kan vi mäta de lokala observerbara objekten genom att projicera alla qubits till Z-projektionerna," sa Zhu. "Vi använde också högprecisions multi-qubit kvanttillståndstomografi för att mäta intrasslingsentropin och den tredelade ömsesidiga informationen (TMI). Arkitekturen av stegtyp för den supraledande kretsen gjorde det möjligt för oss att studera den integrerbara 1D-kedjan och den icke-integrerbara stegen i samma kvantprocessor."
Zhu och hans kollegor undersökte först termalisering och informationsförvrängning i deras mycket programmerbara supraledande krets qubit-arraykedja och stege. Deras observationer tyder på att integrerbarhet avsevärt påverkar egenskaperna hos kvantsystem med många kroppar som inte är i jämvikt.
"Vi observerade också ett stabilt negativt värde av TMI i det icke-integrerbara systemet, vilket är den första experimentella signaturen för informationskryptering, karakteriserad via TMI, som lägger grunden för ytterligare experimentella studier på TMI på andra plattformar," sa Zhu.
Förutom att inhämta intressanta insikter om relevansen av ett systems integrerbarhet för att bestämma dess egenskaper utanför jämvikt och avslöja en signatur av informationsförvrängning, var Zhu och hans kollegor bland de första att studera kvantsystem för många kroppar med hjälp av ett mycket programmerbart kvantum. processor.
I framtiden kan storleken på kretsen de använde utökas ytterligare för att utföra beräkningar som skulle vara svårare att utföra med klassiska datorer. I sina nästa studier skulle forskarna vilja utöka sitt senaste arbete genom att följa två huvudsakliga forskningsriktningar.
"För det första planerar vi att inkludera fler qubits för att bilda ett större system med många kroppar," tillade Zhu. "För det andra planerar vi att förbättra programmerbarheten för kvantprocessorn. På den toppmoderna supraledande kvantprocessorn 'Zuchongzhi 2.0' har vi framgångsrikt visat kvantfördelen. Vi planerar att använda denna processor för att demonstrera fler spännande fenomen i många kroppsfysik." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
