Кредит: Чжу и др.

В последние годы физики провели обширные исследования, посвященные квантовой технологии и квантовым системам многих тел. Два неравновесных динамических процесса, которые привлекли особое внимание в этой области, — это квантовая термализация и скремблирование информации.

Термализация, или «релаксация к равновесию», — это процесс, посредством которого квантовые системы многих тел достигают теплового равновесия. Информационное скремблирование, с другой стороны, влечет за собой рассеивание локальной информации в многочастичных квантовых запутанностях, которые распределены по всей квантовой многочастичной системе.

Исследователи из Университета науки и технологии Китая, Шанхайского исследовательского центра квантовых наук и Китайской академии наук недавно наблюдали термализацию и скремблирование информации в сверхпроводящем квантовом процессоре. Их выводы, опубликованные в статье в журнале Physical Review Letters, могут проложить путь к новым исследованиям, посвященным термодинамике квантовых систем многих тел.

«Неравновесные свойства квантовых систем многих тел имеют отношение к тому, нарушена ли интегрируемость квантовой системы», — сказал Phys.org Сяобо Чжу, один из исследователей, проводивших исследование. «В частности, термализация и скремблирование информации терпят неудачу во время неравновесной динамики одномерных свободных фермионов как интегрируемой системы».

Экспериментальное исследование термализации и скремблирования информации как в интегрируемых, так и в неинтегрируемых квантовых системах может быть особенно сложным по двум ключевым причинам. Во-первых, для этого требуется экспериментальная реализация обоих этих типов систем на одном и том же квантовом симуляторе.

Кроме того, для успешного проведения этих экспериментов исследователи должны иметь возможность собирать точные и эффективные измерения энтропии запутанности и трехсторонней взаимной информации. Эти измерения в конечном итоге позволяют ученым количественно оценить термализацию и скремблирование информации соответственно, обычно используя подход, известный как томография квантового состояния с несколькими кубитами.

«В нашей недавней работе, используя программируемую сверхпроводящую схему лестничного типа, состоящую из 24 кубитов, мы экспериментально изучали термализацию и скремблирование в цепочке из 12 кубитов и лестнице, выполняя квантовое моделирование модели 1D XX, которую можно сопоставить со свободными фермионами, типичная интегрируемая система, и модель XX-лестницы как неинтегрируемая система», — пояснил Чжу. «Мы наблюдали два различных динамических поведения цепочки массива кубитов и лестницы, демонстрируя, что интегрируемость играет ключевую роль в термализации и скремблировании информации».

Чжу и его коллеги решили изучить квантовую термализацию и скремблирование информации в сверхпроводящем квантовом процессоре, характеризующемся высокой программируемостью. Настроив все кубиты на одни и те же частоты взаимодействия, они смогли экспериментально изучить неравновесную динамику цепочки кубитов и лестницы.

«После временной эволюции мы можем измерить локальные наблюдаемые, спроецировав все кубиты на Z-проекции», — сказал Чжу. «Мы также использовали высокоточную многокубитную томографию квантового состояния для измерения энтропии запутанности и трехчастной взаимной информации (TMI). Лестничная архитектура сверхпроводящей схемы позволила нам изучить интегрируемую одномерную цепь и неинтегрируемую лестницу в том же квантовом процессоре».

Чжу и его коллеги впервые исследовали термализацию и скремблирование информации в цепочке массива кубитов и лестнице их хорошо программируемой сверхпроводящей схемы. Их наблюдения показывают, что интегрируемость существенно влияет на свойства неравновесных квантовых систем многих тел.

«Мы также наблюдали стабильное отрицательное значение TMI в неинтегрируемой системе, что является первым экспериментальным признаком скремблирования информации, охарактеризованным с помощью TMI, что закладывает основу для дальнейших экспериментальных исследований TMI на других платформах», — сказал Чжу.

В дополнение к интересным выводам о значимости интегрируемости системы для определения ее неравновесных свойств и раскрытию признаков скремблирования информации, Чжу и его коллеги были одними из первых, кто начал изучать квантовые системы многих тел, используя хорошо программируемую квантовую систему процессор.

В будущем размер схемы, которую они использовали, может быть увеличен еще больше, чтобы выполнять вычисления, которые было бы сложнее выполнить с помощью классических компьютеров. В своих следующих исследованиях исследователи хотели бы расширить свою недавнюю работу, преследуя два основных направления исследований.

«Во-первых, мы планируем включить больше кубитов, чтобы сформировать более крупную систему из многих тел», — добавил Чжу. «Во-вторых, мы планируем улучшить программируемость квантового процессора. На современном сверхпроводящем квантовом процессоре «Zuchongzhi 2.0» мы успешно продемонстрировали квантовое преимущество. Мы планируем использовать этот процессор для демонстрации более интересных явлений в физике многих тел».