Entanglement är en form av korrelation mellan kvantobjekt, såsom partiklar på atomär skala. Den klassiska fysikens lagar kan inte förklara detta unika kvantfenomen, men det är en av egenskaperna som förklarar kvantsystemens makroskopiska beteende.
Eftersom intrassling är central för hur kvantsystem fungerar, kan en bättre förståelse av det ge forskare en djupare känsla av hur information lagras och bearbetas effektivt i sådana system.
Qubits, eller kvantbitar, är byggstenarna i en kvantdator. Det är dock extremt svårt att göra specifika intrasslade tillstånd i många-qubit-system, än mindre att undersöka dem. Det finns också en mängd olika intrasslade tillstånd, och att skilja dem åt kan vara utmanande.
Nu har MIT-forskare visat en teknik för att effektivt generera intrassling mellan en rad supraledande qubits som uppvisar en specifik typ av beteende.
Under de senaste åren har forskarna vid Engineering Quantum Systems (EQuS)-gruppen utvecklat tekniker som använder mikrovågsteknik för att styra en kvantprocessor som är sammansatt av supraledande kretsar exakt. Utöver dessa kontrolltekniker gör de metoder som introduceras i detta arbete det möjligt för processorn att effektivt generera mycket intrasslade tillstånd och skifta dessa tillstånd från en typ av intrassling till en annan – inklusive mellan typer som är mer benägna att stödja kvanthastighet och de som är inte.
"Här visar vi att vi kan använda de framväxande kvantprocessorerna som ett verktyg för att främja vår förståelse av fysik. Även om allt vi gjorde i det här experimentet var i en skala som fortfarande kan simuleras på en klassisk dator, har vi en bra färdplan för att skala denna teknik och metod bortom räckhåll för klassisk datoranvändning", säger Amir H. Karamlou '18, MEng '18, Ph.D. '23, tidningens huvudförfattare.
Forskningen visas i Nature .
I ett stort kvantsystem som omfattar många sammankopplade qubits kan man tänka på entanglement som mängden kvantinformation som delas mellan ett givet delsystem av qubits och resten av det större systemet.
Trasslingen inom ett kvantsystem kan kategoriseras som områdeslag eller volymlag baserat på hur denna delade information skalar med geometrin hos delsystem. I volymlagsförveckling växer mängden intrassling mellan ett delsystem av qubits och resten av systemet proportionellt med den totala storleken på delsystemet.
Å andra sidan beror områdeslagstiftningen på hur många delade kopplingar som finns mellan ett delsystem av qubits och det större systemet. När delsystemet expanderar, växer mängden intrassling bara längs gränsen mellan delsystemet och det större systemet.
I teorin är bildandet av volymlagsförveckling relaterad till vad som gör kvantberäkning så kraftfull.
"Även om vi ännu inte helt har abstraherat den roll som intrassling spelar i kvantalgoritmer, vet vi att generering av volymlagsförveckling är en nyckelingrediens för att realisera en kvantfördel", säger Oliver.
Emellertid är volymlagsförveckling också mer komplex än områdeslagstiftning och praktiskt taget oöverkomligt i skala att simulera med en klassisk dator.
"När du ökar komplexiteten i ditt kvantsystem blir det allt svårare att simulera det med konventionella datorer. Om jag till exempel försöker hålla reda på ett system med 80 qubits, så skulle jag behöva lagra mer information än vad vi har lagrat genom mänsklighetens historia, säger Karamlou.
Forskarna skapade en kvantprocessor och ett kontrollprotokoll som gjorde det möjligt för dem att generera och undersöka båda typerna av intrassling effektivt.
Deras processor består av supraledande kretsar, som används för att konstruera artificiella atomer. De konstgjorda atomerna används som qubits, som kan kontrolleras och avläsas med hög noggrannhet med hjälp av mikrovågssignaler.
Enheten som användes för detta experiment innehöll 16 qubits arrangerade i ett tvådimensionellt rutnät. Forskarna trimmade noggrant processorn så att alla 16 qubits har samma övergångsfrekvens. Sedan applicerade de en extra mikrovågsenhet på alla qubits samtidigt.
Om denna mikrovågsenhet har samma frekvens som qubits, genererar den kvanttillstånd som uppvisar volymlagsintrassling. Men när mikrovågsfrekvensen ökar eller minskar, uppvisar qubitarna mindre volymlagsförveckling, och går så småningom över till intrasslade tillstånd som i allt högre grad följer en områdeslagsskalning.
"Vårt experiment är en tour de force av kapaciteten hos supraledande kvantprocessorer. I ett experiment använde vi processorn både som en analog simuleringsenhet, vilket gör det möjligt för oss att förbereda tillstånd med olika intrasslingsstrukturer effektivt, och som en digital datorenhet som behövs för att mäta den efterföljande entanglement-skalningen", säger Rosen.
För att möjliggöra den kontrollen lade teamet ner år av arbete på att noggrant bygga upp infrastrukturen kring kvantprocessorn.
Genom att demonstrera övergången från volymlag till områdeslagstiftning, bekräftade forskarna experimentellt vad teoretiska studier hade förutspått. Ännu viktigare är att denna metod kan användas för att avgöra om intrasslingen i en generisk kvantprocessor är områdes- eller volymlag.
"MIT-experimentet understryker distinktionen mellan area-lag och volym-lag intrassling i tvådimensionella kvantsimuleringar med supraledande qubits. Detta kompletterar på ett vackert sätt vårt arbete med entanglement Hamiltonian tomografi med fångade joner i en parallell publikation publicerad i Nature i> år 2023", säger Peter Zoller, professor i teoretisk fysik vid universitetet i Innsbruck, som inte var involverad i detta arbete.
"Att kvantifiera intrassling i stora kvantsystem är en utmanande uppgift för klassiska datorer men ett bra exempel på var kvantsimulering kan hjälpa", säger Pedram Roushan från Google, som inte heller var involverad i studien.
"Genom att använda en 2D-array av supraledande qubits kunde Karamlou och kollegor mäta intrasslingsentropi för olika delsystem av olika storlekar. De mäter volymlagens och arealagens bidrag till entropin, och avslöjar korsningsbeteende när systemets kvanttillståndsenergi ställs in. . Det visar kraftfullt de unika insikter kvantsimulatorer kan erbjuda."
I framtiden skulle forskare kunna använda denna teknik för att studera det termodynamiska beteendet hos komplexa kvantsystem, vilket är för komplext för att studeras med nuvarande analytiska metoder och praktiskt taget oöverkomligt att simulera på till och med världens mest kraftfulla superdatorer.
"Experimenten vi gjorde i det här arbetet kan användas för att karakterisera eller benchmarka kvantsystem i stor skala, och vi kan också lära oss något mer om karaktären av intrassling i dessa många kroppssystem", säger Karamlou.
Mer information: Amir Karamlou, Probing intrassling i ett 2D hårdkärna Bose–Hubbard-gitter, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07325-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07325-z
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
