Credito:Zhu et al.
Negli ultimi anni, i fisici hanno condotto studi approfonditi incentrati sulla tecnologia quantistica e sui sistemi quantistici a molti corpi. Due processi dinamici fuori equilibrio che hanno attirato particolare attenzione in questo campo sono la termalizzazione quantistica e lo scrambling delle informazioni.
La termalizzazione, o "il rilassamento all'equilibrio", è un processo attraverso il quale i sistemi quantistici a molti corpi raggiungono l'equilibrio termico. Il rimescolamento delle informazioni, d'altra parte, comporta la dispersione di informazioni locali in entanglements quantistici a molti corpi, che sono distribuiti in un sistema quantistico a molti corpi.
I ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, del Centro di ricerca per le scienze quantistiche di Shanghai e dell'Accademia cinese delle scienze hanno recentemente osservato sia la termalizzazione che il rimescolamento delle informazioni in un processore quantistico superconduttore. I loro risultati, pubblicati in un articolo in Physical Review Letters , potrebbe aprire la strada a nuovi studi incentrati sulla termodinamica dei sistemi quantistici a molti corpi.
"Le proprietà di non equilibrio dei sistemi quantistici a molti corpi sono rilevanti per stabilire se l'integrabilità del sistema quantistico è interrotta", ha detto a Phys.org Xiaobo Zhu, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "In particolare, la termalizzazione e lo scrambling delle informazioni falliscono durante la dinamica di non equilibrio dei fermioni liberi unidimensionali come sistema integrabile."
Lo studio sperimentale della termalizzazione e dello scrambling delle informazioni nei sistemi quantistici integrabili e non integrabili può essere particolarmente impegnativo, per due ragioni chiave. In primo luogo, ciò richiede l'implementazione sperimentale di entrambi questi tipi di sistemi sullo stesso simulatore quantistico.
Inoltre, per condurre con successo questi esperimenti, i ricercatori devono essere in grado di raccogliere misurazioni accurate ed efficienti dell'entropia dell'entanglement e delle informazioni reciproche tripartite. Queste misurazioni consentono infine agli scienziati di quantificare rispettivamente la termografia e lo scrambling delle informazioni, utilizzando in genere un approccio noto come tomografia a stato quantistico multi-qubit.
"Nel nostro recente lavoro, utilizzando un circuito superconduttore di tipo ladder programmabile costituito da 24 qubit, abbiamo studiato sperimentalmente la termalizzazione e lo scrambling nella catena e ladder di 12 qubit, eseguendo simulazioni quantistiche del modello 1D XX, che può essere mappato su fermioni liberi , un tipico sistema integrabile, e il modello XX-ladder come sistema non integrabile", ha spiegato Zhu. "Abbiamo osservato due distinti comportamenti dinamici della catena di array di qubit e della scala, dimostrando che l'integrabilità gioca un ruolo chiave nella termalizzazione e nello scrambling delle informazioni."
Zhu e i suoi colleghi hanno deciso di studiare la termalizzazione quantistica e lo scrambling delle informazioni in un processore quantistico superconduttore caratterizzato da un'elevata programmabilità. Sintonizzando tutti i qubit sulle stesse frequenze interagenti, sono stati in grado di studiare sperimentalmente la dinamica di non equilibrio della catena e della scala dei qubit.
"Dopo l'evoluzione temporale, possiamo misurare gli osservabili locali proiettando tutti i qubit sulle proiezioni Z", ha detto Zhu. "Abbiamo anche utilizzato la tomografia a stato quantistico multi-qubit ad alta precisione per misurare l'entropia di entanglement e l'informazione reciproca tripartita (TMI). L'architettura a scala del circuito superconduttore ci ha permesso di studiare la catena 1D integrabile e la scala non integrabile nello stesso processore quantistico."
Zhu e i suoi colleghi hanno prima studiato la termalizzazione e lo scrambling delle informazioni nella catena e nella scala di array di qubit del loro circuito superconduttore altamente programmabile. Le loro osservazioni suggeriscono che l'integrabilità ha un impatto significativo sulle proprietà dei sistemi quantistici a molti corpi fuori equilibrio.
"Abbiamo anche osservato un valore negativo stabile di TMI nel sistema non integrabile, che è la prima firma sperimentale di scrambling di informazioni, caratterizzato tramite TMI, ponendo le basi per ulteriori studi sperimentali su TMI in altre piattaforme", ha affermato Zhu.
Oltre a raccogliere informazioni interessanti sulla rilevanza dell'integrabilità di un sistema nel determinare le sue proprietà fuori dall'equilibrio e svelare una firma di scrambling di informazioni, Zhu e i suoi colleghi sono stati tra i primi a studiare i sistemi quantistici a molti corpi utilizzando un quanto altamente programmabile processore.
In futuro, la dimensione del circuito utilizzato potrebbe essere ulteriormente ampliata, per eseguire calcoli che sarebbero più difficili da eseguire utilizzando i computer classici. Nei loro prossimi studi, i ricercatori vorrebbero ampliare il loro recente lavoro, perseguendo due principali direzioni di ricerca.
"In primo luogo, prevediamo di includere più qubit per formare un sistema a molti corpi più ampio", ha aggiunto Zhu. "In secondo luogo, abbiamo in programma di migliorare la programmabilità del processore quantistico. Sul processore quantistico superconduttore all'avanguardia 'Zuchongzhi 2.0', abbiamo dimostrato con successo il vantaggio quantistico. Abbiamo in programma di utilizzare questo processore per dimostrare fenomeni più eccitanti nella fisica a molti corpi". + Esplora ulteriormente
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