Quantenprozessor zeigt, dass gebundene Zustände von Photonen selbst inmitten des Chaos stark bleiben

Forscher haben einen Quantenprozessor verwendet, um Mikrowellenphotonen ungewöhnlich klebrig zu machen. Sie brachten sie dazu, sich in gebundene Zustände zusammenzuballen, und stellten dann fest, dass diese Photonencluster in einem Regime überlebten, in dem erwartet wurde, dass sie sich in ihre üblichen, einsamen Zustände auflösen. Die Entdeckung wurde zuerst auf einem Quantenprozessor gemacht, was die wachsende Rolle markiert, die diese Plattformen bei der Untersuchung der Quantendynamik spielen.

Photonen – Quantenpakete elektromagnetischer Strahlung wie Licht oder Mikrowellen – interagieren normalerweise nicht miteinander. Beispielsweise gehen zwei gekreuzte Blitzlichtstrahlen ungestört durcheinander. Aber in einer Anordnung von supraleitenden Qubits können Mikrowellenphotonen zur Wechselwirkung gebracht werden.

In „Bildung robuster gebundener Zustände interagierender Photonen“, heute veröffentlicht in Natur, beschreiben Forscher von Google Quantum AI, wie sie diese ungewöhnliche Situation konstruiert haben. Sie untersuchten einen Ring aus 24 supraleitenden Qubits, die Mikrowellenphotonen beherbergen könnten. Durch die Anwendung von Quantengattern auf Paare benachbarter Qubits könnten Photonen herumreisen, indem sie zwischen benachbarten Standorten hin- und herspringen und mit nahe gelegenen Photonen interagieren.

Die Wechselwirkungen zwischen den Photonen beeinflussten ihre sogenannte „Phase“. Die Phase verfolgt die Oszillation der Wellenfunktion des Photons. Wenn die Photonen nicht wechselwirken, ist ihre Phasenakkumulation ziemlich uninteressant. Wie ein eingespielter Chor stimmen sie alle aufeinander ein. In diesem Fall kann ein Photon, das ursprünglich neben einem anderen Photon war, von seinem Nachbarn weghüpfen, ohne aus der Synchronisation zu geraten.

So wie jede Person im Chor zum Lied beiträgt, trägt jeder mögliche Weg, den das Photon nehmen kann, zur gesamten Wellenfunktion des Photons bei. Eine Gruppe von Photonen, die ursprünglich an benachbarten Orten gebündelt waren, entwickelt sich zu einer Überlagerung aller möglichen Wege, die jedes Photon genommen haben könnte.

Wenn Photonen mit ihren Nachbarn interagieren, ist dies nicht mehr der Fall. Wenn ein Photon von seinem Nachbarn wegspringt, ändert sich seine Rate der Phasenakkumulation und wird nicht mehr synchron mit seinen Nachbarn. Alle Wege, auf denen sich die Photonen aufspalten, überlappen sich, was zu destruktiver Interferenz führt. Es wäre, als würde jedes Chormitglied in seinem eigenen Tempo singen – das Lied selbst wird verwaschen und durch den Lärm der einzelnen Sänger nicht mehr zu erkennen.

Unter allen möglichen Konfigurationspfaden ist das einzige mögliche Szenario, das überlebt, die Konfiguration, in der alle Photonen in einem gebundenen Zustand zusammengeballt bleiben. Aus diesem Grund kann die Wechselwirkung die Bildung eines gebundenen Zustands verstärken und zur Bildung führen: indem alle anderen Möglichkeiten unterdrückt werden, bei denen Photonen nicht aneinander gebunden sind.

Um rigoros zu zeigen, dass sich die gebundenen Zustände tatsächlich genauso verhalten wie Teilchen mit wohldefinierten Größen wie Energie und Impuls, entwickelten die Forscher neue Techniken, um zu messen, wie sich die Energie der Teilchen mit dem Impuls ändert. Indem sie analysierten, wie sich die Korrelationen zwischen Photonen mit Zeit und Raum veränderten, konnten sie die sogenannte „Energie-Impuls-Dispersionsbeziehung“ rekonstruieren, die die partikelähnliche Natur der gebundenen Zustände bestätigte.

Die Existenz der gebundenen Zustände an sich war nicht neu – in einem Regime, das als „integrierbares Regime“ bezeichnet wird, wo die Dynamik viel weniger kompliziert ist, wurden die gebundenen Zustände bereits vor zehn Jahren vorhergesagt und beobachtet.

Aber jenseits der Integrierbarkeit herrscht Chaos. Vor diesem Experiment wurde vernünftigerweise davon ausgegangen, dass die gebundenen Staaten inmitten des Chaos auseinanderfallen würden. Um dies zu testen, gingen die Forscher über die Integrierbarkeit hinaus, indem sie die einfache Ringgeometrie an ein komplexeres, zahnradförmiges Netzwerk verbundener Qubits anpassten. Sie waren überrascht, als sie feststellten, dass gebundene Staaten bis weit in das chaotische Regime hinein bestanden.

Das Team von Google Quantum AI ist sich immer noch nicht sicher, woher diese gebundenen Zustände ihre unerwartete Widerstandsfähigkeit beziehen, aber es könnte etwas mit einem Phänomen namens „Vorthermisierung“ zu tun haben, bei dem inkompatible Energieskalen im System verhindern können, dass ein System so schnell ein thermisches Gleichgewicht erreicht wie es sonst wäre.

Die Forscher hoffen, dass die Untersuchung dieses Systems zu neuen Einblicken in die Vielteilchen-Quantendynamik führen und grundlegendere physikalische Entdeckungen unter Verwendung von Quantenprozessoren anregen wird.