Experimentell forskning utförd av ett gemensamt team från Los Alamos National Laboratory och D-Wave Quantum Systems undersöker den paradoxala rollen av fluktuationer för att inducera magnetisk ordning på ett nätverk av qubits.
Med hjälp av en D-Wave kvantglödgningsplattform fann teamet att fluktuationer kan sänka den totala energin för de interagerande magnetiska momenten, en förståelse som kan hjälpa till att minska kostnaden för kvantbearbetning i enheter.
"I den här forskningen, snarare än att fokusera på strävan efter överlägsen kvantdatorprestanda jämfört med klassiska motsvarigheter, syftade vi till att utnyttja ett tätt nätverk av sammankopplade qubits för att observera och förstå kvantbeteende", säger Alejandro Lopez-Bezanilla, fysiker i den teoretiska divisionen i Los Alamos.
Som beskrivs i en artikel publicerad i Nature Communications , undersökte teamet det komplexa samspelet av cirka 2 000 qubits inom ett asymmetriskt hexagonalt gitter. De undersökte effekterna av faktorer som vanligtvis inducerar störningar på magnetiska moment – det lilla magnetfält som skapas av supraledande qubits.
Teamet introducerade fluktuationer, vilket tyder på dynamiska förändringar i inriktningen och arrangemanget av magnetiska moment, som drevs av både termiska effekter, associerade med temperatur, och kvanteffekter, som härrör från appliceringen av ett externt magnetfält. Det gjorde det möjligt för dem att experimentera med entropi, magnetiska moment och oordning på det "frustrerade" magnetiska gitter de hade designat.
Resultaten visade sig vara ett kontraintuitivt argument:Under vissa fysiska förhållanden framträder konfigurationer med en klustrad fördelning av defekter som det mer sannolika tillståndet, vilket utmanar konventionella antaganden om förhållandet mellan störning och entropi. Om den rådande förväntningen är att konfigurationer med högre entropi skulle uppvisa större oordning, kunde teamet visa i ett kvantsystem att ordnade tillstånd som kännetecknas av specifika mönster kan uppstå, i likhet med "ordning efter oordning"-processen, även när de till synes oordning- inducerande faktorer är närvarande.
"Tanken att vi skulle kunna främja ordning genom att lägga till termiska fluktuationer och till och med förbättra den genom att lägga till kvantfluktuationer kan verka paradoxal", säger Cristiano Nisoli, laboratoriefysiker och medförfattare till studien. "Men vi har kunnat observera i detalj hur fluktuationer påverkar de mekanismer och fysiska förhållanden som leder till defektklustring. Den insikten kan peka oss på förbättringar i hur kvantsystem byggs upp."
I framtiden kommer ytterligare utvecklingar av D-Waves kvantplattform och experimentella möjligheter att göra det möjligt för forskare att fokusera unikt på kvantfluktuationernas roll och lösgöra dem från den samtidiga inverkan av termiska fluktuationer.
Mer information: Alejandro Lopez-Bezanilla et al, kvantfluktuationer driver icke-monotona korrelationer i ett qubit-gitter, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44281-0
Tillhandahålls av Los Alamos National Laboratory
