Thermalisierung und Informationsverschlüsselung in einem supraleitenden Quantenprozessor

Thermalisierung und Informationsverschlüsselung in einem supraleitenden Quantenprozessor

Bildnachweis: Zhu et al.

Physiker haben in den letzten Jahren umfangreiche Studien mit dem Schwerpunkt Quantentechnologie und Quanten-Vielteilchensysteme durchgeführt. Zwei dynamische Prozesse außerhalb des Gleichgewichts, die auf diesem Gebiet besondere Aufmerksamkeit erregt haben, sind die Quantenthermalisierung und die Informationsverschlüsselung.

Die Thermalisierung oder „Relaxation bis zum Gleichgewicht“ ist ein Prozess, durch den Quanten-Vielteilchensysteme ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Beim Information Scrambling hingegen werden lokale Informationen in Vielteilchen-Quantenverschränkungen gestreut, die über ein Quanten-Vielteilchensystem verteilt sind.

Forscher der University of Science and Technology of China, des Shanghai Research Center for Quantum Sciences und der Chinese Academy of Sciences haben kürzlich sowohl Thermalisierung als auch Informationsverschlüsselung in einem supraleitenden Quantenprozessor beobachtet. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in einem Artikel in Briefe zur körperlichen Überprüfungkönnte den Weg zu neuen Studien ebnen, die sich auf die Thermodynamik von Quanten-Vielteilchensystemen konzentrieren.

„Die Nichtgleichgewichtseigenschaften von Quanten-Vielteilchensystemen sind relevant dafür, ob die Integrierbarkeit des Quantensystems gebrochen ist“, sagte Xiaobo Zhu, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Insbesondere versagen Thermalisierung und Informationsverschlüsselung während der Nichtgleichgewichtsdynamik der eindimensionalen freien Fermionen als integrierbares System.“

Die experimentelle Untersuchung von Thermalisierung und Informationsverschlüsselung sowohl in integrierbaren als auch in nicht integrierbaren Quantensystemen kann aus zwei Hauptgründen eine besondere Herausforderung darstellen. Erstens erfordert dies die experimentelle Implementierung dieser beiden Arten von Systemen auf demselben Quantensimulator.

Um diese Experimente erfolgreich durchführen zu können, müssen die Forscher außerdem in der Lage sein, genaue und effiziente Messungen der Verschränkungsentropie und dreigliedriger gegenseitiger Informationen zu sammeln. Diese Messungen ermöglichen es den Wissenschaftlern letztendlich, die Thermalisierung bzw. die Informationsverschlüsselung zu quantifizieren, typischerweise unter Verwendung eines Ansatzes, der als Multi-Qubit-Quantenzustandstomographie bekannt ist.

„In unserer jüngsten Arbeit haben wir unter Verwendung einer programmierbaren supraleitenden Schaltung vom Leitertyp, die aus 24 Qubits besteht, experimentell Thermalisierung und Scrambling in der 12-Qubit-Kette und -Leiter untersucht und Quantensimulationen des 1D-XX-Modells durchgeführt, das auf freie Fermionen abgebildet werden kann , ein typisches integrierbares System, und das XX-Leitermodell als nicht integrierbares System”, erklärte Zhu. „Wir haben zwei unterschiedliche dynamische Verhaltensweisen der Qubit-Array-Kette und -Leiter beobachtet, was zeigt, dass die Integrierbarkeit eine Schlüsselrolle bei der Thermalisierung und Informationsverschlüsselung spielt.“

Zhu und seine Kollegen beschlossen, die Quantenthermalisierung und Informationsverschlüsselung in einem supraleitenden Quantenprozessor zu untersuchen, der sich durch eine hohe Programmierbarkeit auszeichnet. Indem sie alle Qubits auf dieselben Wechselwirkungsfrequenzen abstimmten, konnten sie die Nichtgleichgewichtsdynamik der Qubit-Kette und -Leiter experimentell untersuchen.

„Nach der Zeitentwicklung können wir die lokalen Observablen messen, indem wir alle Qubits auf die Z-Projektionen projizieren“, sagte Zhu. „Wir haben auch hochpräzise Multi-Qubit-Quantenzustandstomographie verwendet, um die Verschränkungsentropie und die dreiteilige gegenseitige Information (TMI) zu messen. Die leiterartige Architektur der supraleitenden Schaltung ermöglichte es uns, die integrierbare 1D-Kette und die nicht integrierbare Leiter zu untersuchen im selben Quantenprozessor.”

Zhu und seine Kollegen untersuchten zunächst Thermalisierung und Informationsverschlüsselung in der Qubit-Array-Kette und -Leiter ihres hochprogrammierbaren supraleitenden Schaltkreises. Ihre Beobachtungen legen nahe, dass die Integrierbarkeit die Eigenschaften von Quanten-Vielteilchensystemen außerhalb des Gleichgewichts erheblich beeinflusst.

„Wir haben auch einen stabilen negativen Wert von TMI im nicht integrierbaren System beobachtet, was die erste experimentelle Signatur von Informationsverschlüsselung ist, die über TMI charakterisiert wird, und die den Grundstein für weitere experimentelle Studien zu TMI auf anderen Plattformen legt“, sagte Zhu .

Zhu und seine Kollegen sammelten nicht nur interessante Einblicke in die Relevanz der Integrierbarkeit eines Systems bei der Bestimmung seiner Eigenschaften außerhalb des Gleichgewichts und enthüllten eine Signatur der Informationsverwürfelung, sondern gehörten auch zu den ersten, die Quanten-Vielteilchensysteme unter Verwendung eines hochprogrammierbaren Quants untersuchten Prozessor.

In Zukunft könnte die Größe der verwendeten Schaltung weiter ausgebaut werden, um Berechnungen durchzuführen, die mit klassischen Computern schwieriger durchzuführen wären. In ihren nächsten Studien möchten die Forscher ihre jüngsten Arbeiten erweitern und dabei zwei Hauptforschungsrichtungen verfolgen.

„Zunächst planen wir, mehr Qubits einzubauen, um ein größeres Vielkörpersystem zu bilden“, fügte Zhu hinzu. „Zweitens planen wir, die Programmierbarkeit des Quantenprozessors zu verbessern. Auf dem hochmodernen supraleitenden Quantenprozessor ‚Zuchongzhi 2.0‘ haben wir den Quantenvorteil erfolgreich demonstriert. Wir planen, mit diesem Prozessor weitere spannende Phänomene zu demonstrieren.“ in der Vielteilchenphysik.”


Erstes hybrides Quantenbit basierend auf topologischen Isolatoren


Mehr Informationen:
Qingling Zhu et al, Beobachtung von Thermalisierung und Informationsverschlüsselung in einem supraleitenden Quantenprozessor, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.160502

© 2022 Science X Netzwerk

Zitieren: Thermalization and Information Scrambling in a Supraconductor Quantum Processor (2022, 19. Mai), abgerufen am 19. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-thermalization-scrambling-superconductor-quantum-processor.html

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