Poiché l'entanglement è fondamentale per il modo in cui funzionano i sistemi quantistici, comprenderlo meglio potrebbe dare agli scienziati un senso più profondo di come le informazioni vengono archiviate ed elaborate in modo efficiente in tali sistemi.

I qubit, o bit quantistici, sono gli elementi costitutivi di un computer quantistico. Tuttavia, è estremamente difficile creare stati entangled specifici in sistemi a molti qubit, per non parlare di investigarli. Esistono anche numerosi stati intrecciati e distinguerli può essere difficile.

Ora, i ricercatori del MIT hanno dimostrato una tecnica per generare in modo efficiente l'entanglement tra una serie di qubit superconduttori che mostrano un tipo specifico di comportamento.

Negli ultimi anni i ricercatori del gruppo Engineering Quantum Systems (EQuS) hanno sviluppato tecniche che utilizzano la tecnologia a microonde per controllare con precisione un processore quantistico composto da circuiti superconduttori. Oltre a queste tecniche di controllo, i metodi introdotti in questo lavoro consentono al processore di generare in modo efficiente stati altamente entanglement e di spostare tali stati da un tipo di entanglement a un altro, compresi i tipi che hanno maggiori probabilità di supportare l’accelerazione quantistica e quelli che hanno maggiori probabilità di supportare l’accelerazione quantistica. non lo sono.

"Qui stiamo dimostrando che possiamo utilizzare i processori quantistici emergenti come strumento per approfondire la nostra comprensione della fisica. Sebbene tutto ciò che abbiamo fatto in questo esperimento fosse su una scala che può ancora essere simulata su un computer classico, abbiamo una buona tabella di marcia per portare questa tecnologia e metodologia oltre la portata dell'informatica classica", afferma Amir H. Karamlou '18, MEng '18, Ph.D. '23, l'autore principale dell'articolo.

La ricerca appare in Nature .

Valutare l'entanglement

In un grande sistema quantistico comprendente molti qubit interconnessi, si può pensare all'entanglement come alla quantità di informazioni quantistiche condivise tra un dato sottosistema di qubit e il resto del sistema più grande.

L’entanglement all’interno di un sistema quantistico può essere classificato come legge di area o legge di volume in base a come queste informazioni condivise si adattano alla geometria dei sottosistemi. Nell'entanglement basato sulla legge del volume, la quantità di entanglement tra un sottosistema di qubit e il resto del sistema cresce proporzionalmente alla dimensione totale del sottosistema.

D’altra parte, l’entanglement della legge di area dipende da quante connessioni condivise esistono tra un sottosistema di qubit e il sistema più grande. Man mano che il sottosistema si espande, la quantità di coinvolgimento cresce solo lungo il confine tra il sottosistema e il sistema più grande.

In teoria, la formazione dell'entanglement basato sulla legge del volume è legata a ciò che rende il calcolo quantistico così potente.

"Sebbene non abbiamo ancora del tutto astratto il ruolo che l'entanglement gioca negli algoritmi quantistici, sappiamo che la generazione dell'entanglement basato sulla legge del volume è un ingrediente chiave per realizzare un vantaggio quantistico", afferma Oliver.

Tuttavia, l'entanglement basato su leggi di volume è anche più complesso dell'entanglement basato su leggi di area ed è praticamente proibitivo simularlo su larga scala utilizzando un computer classico.

"Man mano che aumenti la complessità del tuo sistema quantistico, diventa sempre più difficile simularlo con i computer convenzionali. Se sto cercando di tenere traccia completamente di un sistema con 80 qubit, ad esempio, allora avrei bisogno di memorizzare più informazioni di quanto che abbiamo conservato nel corso della storia dell'umanità", afferma Karamlou.

I ricercatori hanno creato un processore quantistico e un protocollo di controllo che ha consentito loro di generare e sondare in modo efficiente entrambi i tipi di entanglement.

Il loro processore comprende circuiti superconduttori, che vengono utilizzati per progettare atomi artificiali. Gli atomi artificiali vengono utilizzati come qubit, che possono essere controllati e letti con elevata precisione utilizzando segnali a microonde.

Il dispositivo utilizzato per questo esperimento conteneva 16 qubit disposti in una griglia bidimensionale. I ricercatori hanno messo a punto attentamente il processore in modo che tutti i 16 qubit abbiano la stessa frequenza di transizione. Quindi, hanno applicato simultaneamente un'ulteriore trasmissione a microonde a tutti i qubit.

Se questo motore a microonde ha la stessa frequenza dei qubit, genera stati quantistici che mostrano un entanglement basato sulla legge del volume. Tuttavia, quando la frequenza delle microonde aumenta o diminuisce, i qubit mostrano un minore entanglement basato sulla legge del volume, passando infine a stati entangled che seguono sempre più un ridimensionamento basato sulla legge dell'area.

Controllo attento

"Il nostro esperimento è un tour de force delle capacità dei processori quantistici superconduttori. In un esperimento, abbiamo utilizzato il processore sia come dispositivo di simulazione analogico, permettendoci di preparare stati con diverse strutture di entanglement in modo efficiente, sia come dispositivo di calcolo digitale, necessario per misurare il conseguente ridimensionamento dell'entanglement," afferma Rosen.

Per consentire tale controllo, il team ha dedicato anni di lavoro alla creazione attenta dell'infrastruttura attorno al processore quantistico.

Dimostrando il passaggio dall'entanglement con legge di volume a quella con legge di area, i ricercatori hanno confermato sperimentalmente ciò che gli studi teorici avevano previsto. Ancora più importante, questo metodo può essere utilizzato per determinare se l'entanglement in un generico processore quantistico è basato sulla legge dell'area o sul volume.

"L'esperimento del MIT sottolinea la distinzione tra entanglement con legge di area e legge di volume nelle simulazioni quantistiche bidimensionali utilizzando qubit superconduttori. Ciò integra magnificamente il nostro lavoro sulla tomografia hamiltoniana dell'entanglement con ioni intrappolati in una pubblicazione parallela pubblicata su Nature nel 2023", afferma Peter Zoller, professore di fisica teorica all'Università di Innsbruck, che non è stato coinvolto in questo lavoro.

"Quantificare l'entanglement nei grandi sistemi quantistici è un compito impegnativo per i computer classici, ma è un buon esempio di come la simulazione quantistica potrebbe aiutare", afferma Pedram Roushan di Google, anch'egli non coinvolto nello studio.

"Utilizzando una serie 2D di qubit superconduttori, Karamlou e colleghi sono stati in grado di misurare l'entropia di entanglement di vari sottosistemi di varie dimensioni. Misurano i contributi della legge del volume e della legge dell'area all'entropia, rivelando un comportamento di crossover mentre l'energia dello stato quantistico del sistema è sintonizzata . Dimostra in modo efficace le intuizioni uniche che i simulatori quantistici possono offrire."

In futuro, gli scienziati potrebbero utilizzare questa tecnica per studiare il comportamento termodinamico di sistemi quantistici complessi, che è troppo complesso per essere studiato utilizzando gli attuali metodi analitici e praticamente proibitivo da simulare anche sui supercomputer più potenti del mondo.

"Gli esperimenti che abbiamo effettuato in questo lavoro possono essere utilizzati per caratterizzare o valutare sistemi quantistici su larga scala e potremmo anche imparare qualcosa di più sulla natura dell'entanglement in questi sistemi a molti corpi", afferma Karamlou.