Реализация индуцированных измерением квантовых фаз на квантовом компьютере с захваченными ионами
Исследователи из NIST/Университета Мэриленда и Университета Дьюка недавно использовали квантовый компьютер с захваченными ионами для реализации двух индуцированных измерениями квантовых фаз, а именно чистой фазы и смешанной или кодирующей фазы во время фазового перехода очистки. Их выводы, опубликованные в статье в журнале Nature Physics, способствуют экспериментальному пониманию квантовых систем многих тел.
Квантовый компьютер, используемый в этом исследовании в Университете Мэриленда. Кредит: Ноэль и др.
Квантовые компьютеры с захваченными ионами — это квантовые устройства, в которых захваченные ионы вибрируют вместе и полностью изолированы от внешней среды. Эти компьютеры могут быть особенно полезны для исследования и реализации различных состояний квантовой физики.
Исследователи из NIST/Университета Мэриленда и Университета Дьюка недавно использовали квантовый компьютер с захваченными ионами для реализации двух индуцированных измерениями квантовых фаз, а именно чистой фазы и смешанной или кодирующей фазы во время фазового перехода очистки. Их выводы, опубликованные в статье в журнале Nature Physics, способствуют экспериментальному пониманию квантовых систем многих тел.
«Наши методы были основаны на работе Майкла Гулланса и Дэвида Хьюза, которые определили индуцированный измерениями переход очистки в случайных квантовых цепях», — рассказал Phys.org Кристал Ноэль, один из исследователей, проводивших исследование. «Основной целью нашей статьи было экспериментальное наблюдение этого критического явления с помощью квантового компьютера».
Чтобы измерить фазовый переход очистки, впервые описанный Гуллансом и Хьюзом, исследователям пришлось усреднить данные, собранные по нескольким случайным схемам. Кроме того, собранные ими измерения включали как унитарные, так и проективные измерения.
«Начиная со смешанного состояния с высокой энтропией или информацией, а затем развивая цепи, энтропия в конце цепи указывает, была ли эта информация потеряна или, другими словами, система очистилась», — объяснил Ноэль. «Мы измерили энтропию системы после эволюции схемы, настроив скорость измерения при переходе».
Согласно теоретическим предсказаниям, фазовый переход очистки, исследованный командой, должен был возникнуть в критической точке , напоминающей отказоустойчивый порог. Ноэль и ее коллеги проводили свои эксперименты со случайными схемами, которые были оптимизированы для работы с их квантовым компьютером с ионной ловушкой. Это позволило им наблюдать за различными фазами очистки с помощью относительно небольшой системы.
«Критические явления такого рода трудно наблюдать из-за необходимости больших размеров системы, измерения промежуточных цепей и усреднения по множеству случайных цепей, что требует значительного времени вычислений», — сказал Ноэль. «Мы нашли способ адаптировать изучаемую нами модель к имеющейся у нас системе и показать, что с помощью минимальной модели все еще можно наблюдать критические явления».
Используя свой квантовый компьютер с захваченными ионами, команда смогла исследовать как чистую фазу фазового перехода очистки, так и смешанную фазу или фазу кодирования. В первом из этих состояний система быстро проецируется в чистое состояние, что связано с результатами измерения. Во втором исходное состояние системы частично закодировано в квантовом пространстве кодирования с исправлением ошибок, которое сохраняет память системы о ее исходных состояниях в течение более длительного времени.
Новая команда Duke Quantum Center. Кредит: Ноэль и др.
Успешная реализация Ноэль и ее коллегами этих двух фаз перехода к очистке в их квантовом компьютере с ионной ловушкой может вдохновить другие команды на использование подобных систем для исследования других квантовых фаз материи. В своей следующей работе исследователи продолжат использовать тот же компьютер, который сейчас перемещен в квантовый центр New Duke, для исследования других физических явлений. Крис Монро, главный исследователь недавнего исследования, в настоящее время является директором этого Центра и будет руководить дальнейшими исследованиями с использованием квантового компьютера с захваченными ионами.
«Теперь мы планируем продолжить изучение критических явлений в случайных цепях с помощью нашего квантового компьютера с захваченными ионами. Мы добавим больше кубитов и измерение промежуточных цепей, чтобы увеличить аппаратные возможности, чтобы лучше понять квантовые вычисления и открытые квантовые системы».
