La simulation quantique joue un rôle irremplaçable dans divers domaines, au-delà de la portée des ordinateurs classiques. Dans une étude récente, Keren Li et une équipe de recherche interdisciplinaire du Center for Quantum Computing, Quantum Science and Engineering et le Département de physique et d'astronomie en Chine, États-Unis, Allemagne et Canada. Simulation expérimentale d'états de réseaux de spins en simulant des tétraèdres espace-temps quantiques sur un simulateur quantique de résonance magnétique nucléaire (RMN) à quatre qubits. La fidélité expérimentale était supérieure à 95 pour cent. L'équipe de recherche a utilisé les tétraèdres quantiques préparés par résonance magnétique nucléaire pour simuler une amplitude de sommet (modèle) spinfoam bidimensionnelle (2-D), et afficher la dynamique locale de l'espace-temps quantique. Li et al. mesuré les propriétés géométriques des tétraèdres quantiques correspondants pour simuler leurs interactions. Le travail expérimental est une première tentative et un module de base pour représenter le sommet du diagramme de Feynman dans la formulation spinfoam, pour étudier la gravité quantique à boucle (LQG) en utilisant le traitement de l'information quantique. Les résultats sont maintenant disponibles sur Communication Physics.

Les ordinateurs classiques ne peuvent pas étudier les grands systèmes quantiques malgré des simulations réussies d'une variété de systèmes physiques. Les contraintes systématiques des ordinateurs classiques se sont produites lorsque la croissance linéaire des tailles des systèmes quantiques correspondait à la croissance exponentielle de l'espace de Hilbert, un fondement mathématique de la mécanique quantique. Les physiciens quantiques visent à surmonter le problème en utilisant des ordinateurs quantiques qui traitent les informations de manière intrinsèque ou quantique pour surpasser de manière exponentielle leurs homologues classiques. En 1982, Le physicien Richard Feynman a défini les ordinateurs quantiques comme des systèmes quantiques pouvant être contrôlés pour imiter ou simuler le comportement ou les propriétés de systèmes quantiques relativement moins accessibles.

Dans le travail present, Li et al. utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN) avec une haute performance contrôlable sur le système quantique pour développer des méthodes de simulation. La stratégie a facilité la présentation des géométries quantiques de l'espace et de l'espace-temps sur la base des analogies entre les états de spin nucléaire dans les échantillons de RMN et les états de réseau de spin dans la gravité quantique. La gravité quantique vise à unir la gravité d'Einstein à la mécanique quantique pour élargir notre compréhension de la gravité à l'échelle de Planck (1,22 x 10 ¹⁹ GeV). A l'échelle de Planck (magnitudes d'espace, temps et énergie) La gravité d'Einstein et le continuum de décomposition de l'espace-temps peuvent être remplacés par l'espace-temps quantique. Les approches de recherche pour comprendre les espaces-temps quantiques sont actuellement enracinées dans les réseaux de spin (un graphique de lignes et de nœuds pour représenter l'état quantique de l'espace à un certain moment), qui sont importants, cadre non perturbatif de la gravitation quantique.

En 1971, le physicien Roger Penrose a proposé des réseaux de spins motivés par la théorie du twistor avec des applications ultérieures à la gravitation quantique en boucle (LQG). Les réseaux de spins étaient des états quantiques représentant des géométries quantiques fondamentalement discrètes de l'espace à l'échelle de Planck. Dans la présente étude, l'équipe de recherche a représenté le réseau de spin à l'aide d'un graphique avec des liens et des nœuds colorés par des moitiés de spin. Par exemple, tout nœud avec des arêtes correspondait à une géométrie et donc un graphe contenant des nœuds quadrivalents correspondait à la géométrie quantique du tétraèdre.

L'équipe de recherche a développé un "réseau" contenant un certain nombre de feuilles du monde en trois dimensions (3D) (surfaces 2D) et leurs intersections. Ils ont montré que chaque sommet où les surfaces se rencontraient, a conduit à une transition quantique qui a modifié le réseau de spins pour représenter la dynamique locale de la géométrie quantique. Tout comme les diagrammes de Feynman (représentations schématiques d'expressions mathématiques décrivant le comportement des particules subatomiques), les espaces-temps quantiques ont codé les amplitudes de transition et les amplitudes de spin-info entre les réseaux de spin initial et final. Les espaces-temps quantiques et les amplitudes spinfoam développés dans l'étude ont fourni une approche cohérente et prometteuse de la gravité quantique. Li et al. en vedette la simulation RMN par la capacité de contrôler des qubits individuels avec une grande précision. Les tétraèdres quantiques et les amplitudes des sommets ont servi de blocs de construction de LQG (gravité quantique en boucle) pour ouvrir une nouvelle fenêtre pour inclure LQG dans les expériences quantiques.

Les scientifiques ont d'abord dérivé des équations pour décrire un tétraèdre quantique dans un réseau de spins. Dans un modèle d'espace-temps quantique dynamique schématique en 3+1 dimensions, ils ont démontré un atome comme une 3-sphère enfermant une partie de l'espace-temps quantique entourant un sommet. L'équipe a modélisé la limite de l'espace-temps quantique fermé précisément comme un réseau de spins et a montré la possibilité de simuler de grands espaces-temps quantiques avec de nombreux sommets en collant quantiquement les atomes. La structure résultante ressemblait à une amplitude de sommet de l'espace-temps quantique similaire aux modèles de réseau topologique d'Ooguri précédemment développés en quatre dimensions. Les chercheurs ont montré à LQG d'identifier les géométries de tétraèdres quantiques avec les moments angulaires quantiques. L'identification leur a permis de simuler des géométries quantiques avec des registres quantiques (analogue de mécanique quantique d'un registre de processeur classique). En général, un registre quantique peut être obtenu mathématiquement à l'aide de produits tensoriels.

Lors des expérimentations, Li et al. simulé 10 tétraèdres quantiques en préparant les états invariants-tenseurs correspondants. Ils ont marqué ces états à l'aide de 10 points colorés sur la sphère de Bloch (représentation géométrique) et ont mené les expériences sur un spectromètre DRX Bruker à 700 MHz à température ambiante. Pour toutes les expériences, l'équipe de recherche a utilisé la molécule d'acide crotonique avec quatre ¹³ Noyaux C adaptés au système à quatre qubits. Les scientifiques ont développé le système expérimental pour préparer des tétraèdres quantiques et simuler sa dynamique locale en trois parties.

1. Pour la préparation de l'état, ils ont d'abord initialisé l'ensemble du système à un état pseudo-pur. Ils ont obtenu une fidélité supérieure à 99 % en utilisant la méthode de la moyenne spatiale. Ensuite, ils ont conduit le système en 10 états ou transformations de tenseur invariant, qu'ils ont mis en œuvre à l'aide de 10 impulsions mises en forme de 20 ms.
2. Prochain, pour les mesures géométriques, l'équipe a présenté les propriétés géométriques mesurées à l'aide d'un histogramme 3D. L'incertitude expérimentale à ce stade résultait du processus d'ajustement du spectre RMN. La coïncidence entre les simulations expérimentales et théoriques impliquait que les états tenseurs invariants préparés dans les expériences correspondaient aux éléments constitutifs des tétraèdres quantiques.
3. Pendant la simulation d'amplitude, les états du réseau de spin ont servi de données limites de l'espace-temps quantique à 3+1 dimensions. L'amplitude des sommets définie dans l'étude a déterminé l'amplitude du spinfoam et décrit la dynamique locale de la gravité quantique dans l'espace-temps quantique 4-D, pour afficher les propriétés de ces données limites.

Pour obtenir les amplitudes des sommets, les chercheurs ont calculé les produits internes entre cinq états de tétraèdre quantique différents. Idéalement, les chercheurs auraient pu utiliser un ordinateur quantique de 20 qubits, établir des états intriqués au maximum à deux qubits entre deux tétraèdres arbitraires. Cependant, puisqu'un ordinateur quantique de telles dimensions est actuellement au-delà de la technologie de pointe commercialisée, les chercheurs ont alternativement effectué une tomographie complète de la préparation de l'état pour obtenir des informations sur les états des tétraèdres quantiques. Lorsque les scientifiques ont calculé les fidélités entre les états expérimentaux du tétraèdre quantique et la théorie, les résultats étaient bien au-dessus de 95 pour cent. En utilisant les tétraèdres quantiques, l'équipe de recherche a simulé l'amplitude du sommet. Ils ont comparé les résultats entre l'expérience et la simulation numérique parmi les cinq tétraèdres. Par conséquent, des points de selle de l'amplitude dans les expériences se sont produits là où les cinq tétraèdres en interaction ont démontré une signification géométrique simple lorsqu'ils se sont collés pour former un simplex géométrique à quatre.

De cette façon, Keren Li et ses collègues ont utilisé un registre quantique dans le système RMN pour créer 10 états tenseurs invariants pour représenter 10 tétraèdres quantiques. Ils ont atteint une fidélité supérieure à 95 % et ont ensuite mesuré les angles dièdres (deux faces planes) du modèle. Ils ont pris en compte les erreurs d'ajustement du spectre et l'identification géométrique pour comprendre le succès de la simulation des tétraèdres quantiques dans l'étude. Le nouveau travail de recherche a présenté une première étape pour explorer les états de réseau de spin et les amplitudes de spin-info à l'aide d'un simulateur quantique. Le travail d'accompagnement a également démontré des expériences valides pour étudier LGQ.

© 2019 Réseau Science X