I computer quantistici a ioni intrappolati sono dispositivi quantistici in cui gli ioni intrappolati vibrano insieme e sono completamente isolati dall'ambiente esterno. Questi computer possono essere particolarmente utili per studiare e realizzare vari stati della fisica quantistica.

I ricercatori della NIST/Università del Maryland e della Duke University hanno recentemente utilizzato un computer quantistico a ioni intrappolati per realizzare due fasi quantistiche indotte dalla misurazione, vale a dire la fase pura e la fase mista o codificante durante una transizione di fase di purificazione. Le loro scoperte, pubblicate in un articolo su Nature Physics , contribuiscono alla comprensione sperimentale dei sistemi quantistici a molti corpi.

"I nostri metodi erano basati sul lavoro di Michael Gullans e David Huse, che hanno identificato una transizione di purificazione indotta dalla misurazione in circuiti quantistici casuali", ha detto a Phys.org Crystal Noel, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "L'obiettivo principale del nostro articolo era osservare sperimentalmente questo fenomeno critico, utilizzando un computer quantistico."

Per misurare la transizione della fase di purificazione delineata per la prima volta da Gullans e Huse, i ricercatori hanno dovuto calcolare la media dei dati raccolti su diversi circuiti casuali. Inoltre, le misurazioni raccolte includevano misurazioni sia unitarie che proiettive.

"Partendo in uno stato misto con alta entropia o informazione, quindi evolvendo i circuiti, l'entropia alla fine del circuito indica se quell'informazione è stata persa, o in altre parole il sistema si è purificato", ha spiegato Noel. "Abbiamo misurato l'entropia del sistema dopo l'evoluzione del circuito mentre sintonizzavamo la velocità di misurazione durante la transizione."

Secondo le previsioni teoriche, la transizione della fase di purificazione sondata dal team dovrebbe essere emersa in un punto critico, simile a una soglia di tolleranza ai guasti. Noel e i suoi colleghi hanno condotto i loro esperimenti su circuiti casuali ottimizzati per funzionare bene con il loro computer quantistico a trappola ionica. Ciò ha permesso loro di osservare le diverse fasi della purificazione utilizzando un sistema relativamente piccolo.

"Fenomeni critici di questa natura sono difficili da osservare a causa della necessità di sistemi di grandi dimensioni, misurazioni a metà circuito e media su molti circuiti casuali che richiedono tempi di calcolo significativi", ha affermato Noel. "Abbiamo trovato un modo per adattare il modello che abbiamo studiato al sistema che avevamo a disposizione e mostrare che con un modello minimo è ancora possibile osservare i fenomeni critici."

Utilizzando il loro computer quantistico a ioni intrappolati, il team è stato in grado di sondare sia la fase pura della transizione di fase di purificazione che la fase mista o di codifica. Nel primo di questi stati, il sistema viene rapidamente proiettato in uno stato puro, che è correlato ai risultati della misurazione. Nella seconda, lo stato iniziale del sistema è parzialmente codificato in uno spazio di codifica di correzione dell'errore quantistico, che conserva la memoria del sistema delle sue condizioni originali per un tempo più lungo.

La riuscita realizzazione da parte di Noel e dei suoi colleghi di queste due fasi della transizione di purificazione nel loro computer quantistico a trappola ionica potrebbe ispirare altri team a utilizzare sistemi simili per sondare altre fasi quantistiche della materia. Nel loro prossimo lavoro, i ricercatori continueranno a utilizzare lo stesso computer, che ora è stato spostato al New Duke Quantum Center, per indagare su altri fenomeni fisici. Chris Monroe, il principale ricercatore del recente studio, è ora Direttore di questo Centro e condurrà ulteriori studi utilizzando il computer quantistico a ioni intrappolati.

"Ora abbiamo in programma di continuare a studiare i fenomeni critici nei circuiti casuali utilizzando il nostro computer quantistico a ioni intrappolati. Aggiungeremo più qubit e misurazioni a metà circuito per aumentare le capacità hardware. Lavoreremo per trovare nuovi osservabili e transizioni interessanti simili a quello osservato qui per capire di più sull'informatica quantistica e sui sistemi quantistici aperti più in generale." + Esplora ulteriormente

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