Eingefangene Ionen-Quantencomputer sind Quantengeräte, in denen eingefangene Ionen zusammen schwingen und vollständig von der äußeren Umgebung isoliert sind. Diese Computer können besonders nützlich sein, um verschiedene Zustände der Quantenphysik zu untersuchen und zu realisieren.
Forscher des NIST/der University of Maryland und der Duke University haben kürzlich einen Quantencomputer mit gefangenen Ionen verwendet, um zwei messinduzierte Quantenphasen zu realisieren, nämlich die reine Phase und die gemischte oder kodierende Phase während eines Übergangs der Reinigungsphase. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in einem Artikel in Naturphysiktragen zum experimentellen Verständnis von Vielteilchen-Quantensystemen bei.
„Unsere Methoden basierten auf Arbeiten von Michael Gullans und David Huse, die einen messinduzierten Reinigungsübergang in zufälligen Quantenschaltkreisen identifizierten“, sagte Crystal Noel, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Das Hauptziel unserer Arbeit war es, dieses kritische Phänomen experimentell mit einem Quantencomputer zu beobachten.“
Um den von Gullans und Huse erstmals skizzierten Übergang der Reinigungsphase zu messen, mussten die Forscher die über mehrere zufällige Kreisläufe gesammelten Daten mitteln. Darüber hinaus umfassten die von ihnen gesammelten Messungen sowohl Einheits- als auch Projektionsmessungen.
„Indem man in einem gemischten Zustand mit hoher Entropie oder Information beginnt und dann die Schaltkreise entwickelt, zeigt die Entropie am Ende des Schaltkreises an, ob diese Informationen verloren gegangen sind, oder mit anderen Worten, das System hat sich gereinigt“, erklärte Noel. „Wir haben die Entropie des Systems nach der Schaltungsentwicklung gemessen, während wir die Messrate über den Übergang hinweg einstellen.“
Nach theoretischen Vorhersagen hätte der vom Team untersuchte Übergang der Reinigungsphase an einem kritischen Punkt auftreten müssen, der einer fehlertoleranten Schwelle ähnelt. Noel und ihre Kollegen führten ihre Experimente an Zufallsschaltkreisen durch, die so optimiert waren, dass sie gut mit ihrem Ionenfallen-Quantencomputer zusammenarbeiteten. Dadurch konnten sie die verschiedenen Phasen der Reinigung mit einem relativ kleinen System beobachten.
„Kritische Phänomene dieser Art sind aufgrund der Notwendigkeit großer Systemgrößen, der Messung in der Mitte der Schaltung und der Mittelung über viele zufällige Schaltungen, die eine erhebliche Rechenzeit in Anspruch nehmen, schwer zu beobachten“, sagte Noel. „Wir haben einen Weg gefunden, das von uns untersuchte Modell an das uns zur Verfügung stehende System anzupassen und zu zeigen, dass mit einem minimalen Modell die kritischen Phänomene immer noch beobachtet werden können.“
Unter Verwendung ihres Quantencomputers mit eingeschlossenen Ionen war das Team in der Lage, sowohl die reine Phase des Übergangs der Reinigungsphase als auch die gemischte oder codierende Phase zu untersuchen. Im ersten dieser Zustände wird das System schnell in einen reinen Zustand projiziert, der mit den Messergebnissen in Beziehung steht. Im zweiten Fall wird der Anfangszustand des Systems teilweise in einen Quantenfehler-korrigierenden Codierungsraum codiert, der die Erinnerung des Systems an seine ursprünglichen Bedingungen für längere Zeit bewahrt.
Die erfolgreiche Realisierung dieser beiden Phasen des Reinigungsübergangs durch Noel und ihre Kollegen in ihrem Ionenfallen-Quantencomputer könnte andere Teams dazu inspirieren, ähnliche Systeme zu verwenden, um andere Quantenphasen der Materie zu untersuchen. In ihrer nächsten Arbeit werden die Forscher denselben Computer, der jetzt in das New Duke Quantum Center verlegt wurde, weiter verwenden, um andere physikalische Phänomene zu untersuchen. Chris Monroe, der Hauptforscher der jüngsten Studie, ist jetzt Direktor dieses Zentrums und wird weitere Studienarbeiten unter Verwendung des Quantencomputers mit eingeschlossenen Ionen leiten.
„Wir planen jetzt, kritische Phänomene in zufälligen Schaltkreisen mit unserem Trapped-Ion-Quantencomputer weiter zu untersuchen. Wir werden weitere Qubits und Mid-Circuit-Messungen hinzufügen, um die Hardwarefähigkeiten zu erhöhen. Wir werden daran arbeiten, neue Observable und interessante Übergänge zu finden, die denen ähnlich sind die hier beobachtete, um mehr über Quantencomputing und offene Quantensysteme im Allgemeinen zu verstehen.“
Crystal Noel et al, Messinduzierte Quantenphasen, realisiert in einem Quantencomputer mit eingeschlossenen Ionen, Naturphysik (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01619-7
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