a. Экспериментальная схема SC устройства I с кубитами и ответвителями в квадратной геометрии. Светло-серые пунктирные прямоугольники представляют собой димеры, которые составляют цепь с интрапсочетанием Ja, интерсочетанием Je и небольшим кросс-сочетанием Jx. 
b. Схема (вверху слева) динамики коллективных димерных состояний |Π〉 и |Π′〉. Числовые значения отношения Δ/Γ в зависимости от размера системы L для различных соотношений Ja/Je с Jx/2π в диапазоне [0,3, 1,2] МГц (внизу слева). Четырехмерный гиперкуб в гильбертовом пространстве (справа). 
c. Квантовая томография состояния для четырехкубитной точности FA(t) и энтропии запутанности SA(t) в цепочке из 30 кубитов для термализации начальных состояний, а именно |0101…0110〉 (i) и |01001…100110110〉 (ii) и состояние QMBS Π′ (зеленый). Связь Ja/2π = 1,5Je/2π ≃ −9 МГц. На вставке показано преобразование Фурье четырехкубитной точности с пиком при ω1/2π ≈ 21 МГц. Пунктирная серая линия на нижней панели представляет максимальную тепловую энтропию для подсистемы, приближающуюся к 4ln(2). 
d. Те же данные, что и в, но для других связей, а именно Ja/2π = 2,5Je/2π ≃ −10 МГц от устройства II и ω′1/2π ≈ 22 МГц. 
Схемы c и d иллюстрируют разделение системы на две части. 
Предоставлено: Аризонский государственный университет, Чжэцзянский университет.

В статье, которая будет опубликована в четверг, 13 октября, в журнале Nature Physics, регенты ASU профессор Ин-Чэн Лай, его бывший докторант ASU Лей Ин и экспериментатор Хаохуа Ван, профессора Чжэцзянского университета в Китае, продемонстрировали «первый посмотрите» на появление состояний квантового рубцевания многих тел (QMBS) как надежного механизма для поддержания когерентности между взаимодействующими кубитами. Такие экзотические квантовые состояния открывают привлекательную возможность реализации обширной многочастной запутанности для различных приложений в квантовой информатике и технологии для достижения высокой скорости обработки и низкого энергопотребления.

«Состояния QMBS обладают внутренней и общей способностью многочастной запутанности, что делает их чрезвычайно привлекательными для таких приложений, как квантовое зондирование и метрология», — пояснил Ин.

Классические или бинарные вычисления основаны на транзисторах, которые могут одновременно представлять только «1» или «0». В квантовых вычислениях кубиты могут одновременно представлять как 0, так и 1, что может экспоненциально ускорить вычислительные процессы.

«В квантовой информатике и технологиях часто необходимо собрать большое количество фундаментальных блоков обработки информации — кубитов — вместе», — пояснил Лай. «Для таких приложений, как квантовые вычисления, важно поддерживать высокую степень согласованности или квантовой запутанности между кубитами.

«Однако неизбежные взаимодействия между кубитами и шум окружающей среды могут разрушить когерентность за очень короткое время — примерно за десять наносекунд. Это связано с тем, что множество взаимодействующих кубитов составляют систему многих тел», — сказал Лай.

Ключом к исследованию является понимание задержки термализации для поддержания согласованности, что считается важной целью исследования в области квантовых вычислений.

«Из фундаментальной физики мы знаем, что в системе многих взаимодействующих частиц, например, молекул в замкнутом объеме, возникнет процесс термализации. Перемешивание множества кубитов неизменно приведет к квантовой термализации — процессу, описываемому так — так называемая гипотеза термализации собственного состояния, которая разрушит когерентность между кубитами », — сказал Лай.

По словам Лая, открытия, продвигающие вперед квантовые вычисления, найдут применение в криптологии, защищенных коммуникациях и кибербезопасности, а также в других технологиях.