Anti-Butterfly-Effekt ermöglicht neues Benchmarking der Leistung von Quantencomputern

Forschungen zum quantenmechanischen „Anti-Butterfly-Effekt“ lösen ein langjähriges experimentelles Problem der Physik und etablieren eine Methode zum Benchmarking der Leistungsfähigkeit von Quantencomputern.

„Mit dem einfachen, robusten Protokoll, das wir entwickelt haben, können wir bestimmen, inwieweit Quantencomputer Informationen effektiv verarbeiten können, und es gilt auch für Informationsverluste in anderen komplexen Quantensystemen“, sagte Bin Yan, Quantentheoretiker am Los Alamos National Labor.

Yan ist korrespondierender Autor eines Artikels über das Benchmarking von Informationsverschlüsselung, der heute in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Überprüfung. „Unser Protokoll quantifiziert das Verwürfeln von Informationen in einem Quantensystem und unterscheidet es eindeutig von gefälschten positiven Signalen im verrauschten Hintergrund, der durch Quantendekohärenz verursacht wird“, sagte er.

Rauschen in Form von Dekohärenz löscht alle Quanteninformationen in einem komplexen System wie einem Quantencomputer, wenn es mit der Umgebung gekoppelt wird. Auf der anderen Seite verbreiten Informationen, die durch das Quantenchaos kriechen, Informationen über das System, schützen es und ermöglichen es, es abzurufen.

Kohärenz ist ein Quantenzustand, der Quantencomputer ermöglicht, und Dekohärenz bezieht sich auf den Verlust dieses Zustands, wenn Informationen an die Umgebung weitergegeben werden.

„Unsere Methode, die sich auf den Quanten-Anti-Butterfly-Effekt stützt, den wir vor zwei Jahren entdeckt haben, entwickelt ein System in einer einzigen Schleife vorwärts und rückwärts durch die Zeit, sodass wir es auf jedes System mit Zeitumkehr der Dynamik anwenden können, einschließlich Quantencomputer und Quantensimulatoren mit kalten Atomen“, sagte Yan.

Das Team von Los Alamos demonstrierte das Protokoll mit Simulationen auf Cloud-basierten Quantencomputern von IBM.

Die Unfähigkeit, Dekohärenz von Informationsverwürfelung zu unterscheiden, hat die experimentelle Erforschung des Phänomens behindert. Das zuerst in der Physik Schwarzer Löcher untersuchte Information Scrambling hat sich in einer Vielzahl von Forschungsbereichen als relevant erwiesen, darunter Quantenchaos in Vielkörpersystemen, Phasenübergang, Quantenmaschinenlernen und Quantencomputing. Experimentelle Plattformen zum Studium der Informationsverschlüsselung umfassen Supraleiter, gefangene Ionen und wolkenbasierte Quantencomputer.

Praktische Anwendung des Quanten-Anti-Butterfly-Effekts

Yan und Co-Autor Nikolai Sinitsyn veröffentlichten 2020 ein Papier, in dem sie bewiesen, dass die Rückwärtsentwicklung von Quantenprozessen auf einem Quantencomputer, um Informationen in der simulierten Vergangenheit zu beschädigen, wenig Veränderung bewirkt, wenn sie in die Gegenwart zurückkehrt. Im Gegensatz dazu verschmiert ein System der klassischen Physik die Informationen während der Hin- und Her-Zeitschleife unwiederbringlich.

Aufbauend auf dieser Entdeckung entwickelten Yan, Sinitsyn und Co-Autor Joseph Harris, ein Doktorand der University of Edinburgh, der als Teilnehmer an der Los Alamos Quantum Computing Summer School an der aktuellen Arbeit arbeitete, das Protokoll. Es bereitet ein Quantensystem und ein Subsystem vor, entwickelt das gesamte System zeitlich vorwärts, bewirkt eine Änderung in einem anderen Subsystem und entwickelt das System dann für die gleiche Zeit rückwärts. Die Messung der Informationsüberlappung zwischen den beiden Subsystemen zeigt, wie viele Informationen durch die Verschlüsselung erhalten geblieben sind und wie viele durch Dekohärenz verloren gegangen sind.