Bilim insanları kaotik kuantum davranışındaki tekrarlayan kalıpları ortaya çıkarıyor

Pek çok karmaşık kuantum sistemi, bileşenleri etkileşime girdikçe başlangıç ​​durumlarının tanınabilir modellerini hızla kaybeder. Belirli sistemlerdeki düzenli ve kaotik hareket modellerini tanımlamak için fizikçiler, etkin faz uzayı adı verilen matematiksel bir harita oluşturabilirler.

Bilinen hareket yasalarını izleyen bazı klasik sistemlerde, düzenli ve kaotik yollar, faz uzayının farklı bölgelerini işgal eder. Bununla birlikte, kuantum çok cisimli sistemlerde (yani, birçok etkileşimli kuantum bileşenine sahip sistemler) karşılaştırılabilir bir modelin var olup olmadığını belirlemek, kısmen bu sistemlerdeki etkileşimlerin dolanıklık adı verilen bir kuantum olgusunu üretebilmesi nedeniyle şu ana kadar zorlayıcı olmuştur.

Bir sistemin parçaları birbirine karıştığında, bunların birleşik kuantum durumları, her biri bağımsız olarak ele alınarak tam olarak tanımlanamaz.

Zhejiang Üniversitesi ve Leeds Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, karmaşık, kaotik kuantum çoklu cisim sistemlerinde yinelenen aktivite kalıplarını araştırmak için yeni bir yaklaşım geliştirdiler. Bu yaklaşım, yayınlanan bir makalede özetlenmiştir. Doğa Fiziğibirden fazla etkileşimli kübite sahip bir kuantum işlemcide kararlı, yinelenen bir modeli tanımlamak için başarıyla kullanıldı.

“Bu çalışma, birçok kuantum parçacığının etkileşime girip birlikte evrimleştiğinde ne olacağını anlamak için kuantum işlemcilerin kullanılması konusunda Zhejiang Üniversitesi ile uzun süredir devam eden işbirliğimizden doğdu.” Makalenin kıdemli yazarı Zlatko Papić CEİD’a söyledi.

“Normalde bu tür sistemler nasıl başladıklarına dair hafızayı hızla kaybederler. Bu kadere ne zaman ve nasıl direndiklerini anlamak, araştırdığımız zor sorulardan biri.”

Kuantum kaosunda düzenli hareket arayışı

Bu yeni çalışma, Papić ve Zhejiang Üniversitesi ile Leeds Üniversitesi’ndeki işbirlikçilerinin daha önceki araştırmalarına dayanıyor. Ekip, daha önceki çalışmalarında, 30 kübitlik bir süper iletken işlemcideki bazı başlangıç ​​durumlarının, karmaşık etkileşimli kuantum sistemleriyle tipik olarak ilişkili düzensiz davranışa yerleşmek yerine tekrar tekrar tanınabilir bir modele dönebildiğini gösterdi. “kuantum izleri.”

“Kuantum izleri üzerine yayınlanan ilk ortak makalemizde Doğa Fiziğibu olağandışı fenomeni süper iletken bir kuantum işlemci üzerinde gösterdik: özel olarak hazırlanmış bir sistem, tekrar tekrar başlangıç ​​konfigürasyonuna yakın bir noktaya geri döndü,” dedi Papić.

“Bu çalışma bizi, bu olağandışı hareketlerin çok daha zengin bir manzaranın parçası olup olamayacağını ve bir kuantum işlemcinin bunu keşfetmede aktif bir rol üstlenip üstlenemeyeceğini sormaya yöneltti.”

Önceki gözlemlerinden ilham alan araştırmacılar, kaotik kuantum davranışındaki gizli düzenli hareket kalıplarını araştırmak veya başka bir deyişle, kuantum davranışını tanımlamak için bir yöntem geliştirmeye koyuldular. “adalar” düzenli hareketin bir “deniz” kuantum kaotik davranışının

Araştırmacılar yaklaşımlarını, 100’den fazla kübit içeren süper iletken bir kuantum işlemciden seçilen 24 kübitlik bir merdiven sistemi üzerinde test ettiler. İşlemci, tekrarlanan bir döngüde sıradan bir bilgisayarla birlikte çalıştı.

“Kuantum sistemini hazırladık, kısaca gelişmesine izin verdik ve ölçümleri topladık,” Papić’i açıkladı. “Sıradan bilgisayar daha sonra bu ölçümleri, sonuçla yakından eşleşen nispeten basit bir kuantum durumu bulmak için kullanır. Bu güncel halimizi işlemci üzerinde hazırlayıp tekrarlıyoruz. Ardışık turlar boyunca bu süreç, bizim bu hareketi önceden belirtmemize gerek kalmadan, düzenli olarak tekrarlanan harekete odaklanabilir.”

Araştırmacıların yaklaşımı, daha önce yayınlanan bir makalede tanıtılan ScarFinder adlı bir algoritmadan ilham aldı. PRX Kuantum. Bu algoritma, etkileşimli kuantum sistemlerinde kuantum çoklu cisim izleriyle ilişkili olağandışı, yinelenen hareket modellerini arar.

“Doktora sonrası araştırmacılarımız Jie Ren ve Andrew Hallam merkezi bir rol oynadılar: Tensör ağlarındaki uzmanlıkları, karmaşık kuantum durumlarını kompakt bir şekilde açıklamaya yönelik matematiksel araçlar, yaklaşımın geliştirilmesinde çok önemliydi.” Papić’i açıkladı.

“Zhejiang’daki işbirlikçilerimiz, özellikle de Hang Dong, daha sonra protokolü 24 süper iletken kuantum biti veya kübit kullanarak uyguladılar. Düzensiz bir hareket düzeninden başlayarak geri bildirim, sistemi başarılı bir şekilde tekrar eden bir hareket düzenine doğru yönlendirdi.”

Ekibin yaklaşımının önemli bir avantajı, gerçekleştirdiği her turun yalnızca kısa bir kuantum evrimi periyodu ve bireysel kübitlerin basit ölçümlerini gerektirmesidir. Üstelik hassas kuantum davranışını uzun süre korumaya çalışan mevcut işlemcilere de uygulanabilir.

Karmaşık kuantum sistemlerini incelemek için yeni bir yaklaşım

Bu çalışma, karmaşık çok cisimli kuantum sistemlerinde düzen ve kaosun nasıl bir arada var olduğunu araştırmaya yönelik bir yöntemi tanıtıyor ve deneysel olarak gösteriyor. Ekip, bu yöntemi kullanarak 24 kübitlik bir sistemde tekrarlayan aktiviteyi ortaya çıkarmayı ve dengelemeyi başardı.

“En çarpıcı bulgu, kaotik bir davranış denizinde bütünüyle düzenli hareket ‘adaları’nın var olmasıdır.” dedi Papić. “Kaosla bir arada var olan bu düzenli hareket yapısı klasik sistemlerde çok yaygındır; örneğin güneş sistemi bu şekilde çalışır (gezegenler görünüşte periyodik olarak hareket ederken, sistemin genel hareketi kaotiktir ve çok geç zamanlarda tahmin edilmesi imkansızdır). Ancak kuantum çoklu cisim sistemlerindeki benzer yapılar bizim çalışmamızdan önce gözlemlenmemişti.”

Araştırmacılar, kübitler arasındaki etkileşimleri ayarladıkça gözlemledikleri düzenli yolların şekil değiştirdiğini buldu. Geri bildirim döngüsü yaklaşımı, bir sistemin temelindeki dinamiklerde zaten mevcut olan yinelenen kalıpları ortaya çıkardı ve stabilize etti.

“Yaklaşımımız bize bu manzarayı deneysel olarak keşfetmemiz için pratik bir yol sunuyor.” dedi Papić. “Bu çalışmanın daha geniş bir anlamı, kuantum işlemcilerin bilimsel keşif araçları olarak hizmet edebileceğidir. Bu düzenli hareketleri nasıl bulacağımızı ve kontrol edeceğimizi öğrenmek, sonuçta faydalı kuantum davranışını daha uzun süre korumamıza yardımcı olabilir.”

Papić ve meslektaşları şimdi gözlemledikleri davranışın ne kadar yaygın olduğunu anlamaya yönelik daha fazla araştırma planlıyorlar. Spesifik olarak, gözlemlenen düzenli adaları hangi tür kuantum sistemlerinin desteklediğini, kararlılıklarını neyin belirlediğini ve kübitlerin sayısı ve düzeni değiştikçe adaların nasıl değiştiğini belirlemek istiyorlar.

“Bu olgunun kuantum yaralarıyla ilişkisini de açıklığa kavuşturmak istiyoruz.” Papić’i ekledi. “Daha önce gözlemlenen bazı yara izleri, daha geniş bir düzenli hareket alanı içinde özel durumlar mıdır ve iki olgu ne zaman farklıdır? ScarFinder gibi teorik araçları kuantum işlemciler üzerindeki deneylerle birleştirmek bize bu soruları araştırmak için umut verici bir yol sunuyor.”