Experimentelle Forschung, die von einem gemeinsamen Team des Los Alamos National Laboratory und D-Wave Quantum Systems durchgeführt wurde, untersucht die paradoxe Rolle von Fluktuationen bei der Induktion magnetischer Ordnung in einem Netzwerk von Qubits.
Mithilfe einer D-Wave-Quantenglühplattform stellte das Team fest, dass Fluktuationen die Gesamtenergie der wechselwirkenden magnetischen Momente verringern können. Dieses Verständnis kann dazu beitragen, die Kosten der Quantenverarbeitung in Geräten zu senken.
„Anstatt uns bei dieser Forschung auf das Streben nach überlegener Quantencomputerleistung gegenüber klassischen Gegenstücken zu konzentrieren, wollten wir ein dichtes Netzwerk miteinander verbundener Qubits nutzen, um das Quantenverhalten zu beobachten und zu verstehen“, sagte Alejandro Lopez-Bezanilla, Physiker in der theoretischen Abteilung in Los Alamos.
Förderung der Ordnung durch Hinzufügen von Schwankungen
Wie in einem Artikel beschrieben veröffentlicht In NaturkommunikationDas Team untersuchte das komplexe Zusammenspiel von etwa 2.000 Qubits innerhalb eines asymmetrischen hexagonalen Gitters. Sie untersuchten den Einfluss von Faktoren, die typischerweise Unordnung auf magnetische Momente hervorrufen – das kleine Magnetfeld, das von den supraleitenden Qubits erzeugt wird.
Das Team führte Fluktuationen ein, die dynamische Veränderungen in der Ausrichtung und Anordnung magnetischer Momente bedeuten, die sowohl durch thermische Effekte, die mit der Temperatur verbunden sind, als auch durch Quanteneffekte, die aus der Anwendung eines externen Magnetfelds resultieren, angetrieben werden. Dadurch konnten sie mit Entropie, magnetischen Momenten und Unordnung auf dem von ihnen entworfenen „frustrierten“ Magnetgitter experimentieren.
Die Ergebnisse erwiesen sich als kontraintuitives Argument: Unter bestimmten physikalischen Bedingungen erweisen sich Konfigurationen mit einer gehäuften Defektverteilung als der wahrscheinlichere Zustand, was herkömmliche Annahmen über die Beziehung zwischen Unordnung und Entropie in Frage stellt. Wenn die vorherrschende Erwartung darin besteht, dass Konfigurationen mit höherer Entropie eine größere Unordnung aufweisen sollten, konnte das Team in einem Quantensystem zeigen, dass geordnete Zustände entstehen können, die durch spezifische Muster gekennzeichnet sind, ähnlich dem Prozess „Ordnung durch Unordnung“, selbst wenn scheinbar Unordnung vorliegt. Auslösende Faktoren sind vorhanden.
„Die Idee, dass wir die Ordnung durch das Hinzufügen thermischer Fluktuationen fördern und sie sogar durch das Hinzufügen von Quantenfluktuationen verstärken könnten, mag paradox erscheinen“, sagte Cristiano Nisoli, Laborphysiker und Mitautor der Studie. „Aber wir konnten im Detail beobachten, wie Fluktuationen die Mechanismen und physikalischen Bedingungen beeinflussen, die zur Defekthäufung führen. Diese Erkenntnisse können uns auf Verbesserungen beim Aufbau von Quantensystemen hinweisen.“
Zukünftig werden zusätzliche Entwicklungen der D-Wave-Quantenplattform und der experimentellen Möglichkeiten es Forschern ermöglichen, sich gezielt auf die Rolle von Quantenfluktuationen zu konzentrieren und sie vom gleichzeitigen Einfluss thermischer Fluktuationen zu entkoppeln.
Mehr Informationen:
Alejandro Lopez-Bezanilla et al, Quantenfluktuationen treiben nichtmonotone Korrelationen in einem Qubit-Gitter an, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-023-44281-0