Thermalisation et brouillage des informations dans un processeur quantique supraconducteur

Crédit :Zhu et al.

Ces dernières années, les physiciens ont mené des études approfondies sur la technologie quantique et les systèmes quantiques à plusieurs corps. Deux processus dynamiques hors équilibre qui ont attiré une attention particulière dans ce domaine sont la thermalisation quantique et le brouillage de l'information.

La thermalisation, ou "la relaxation à l'équilibre", est un processus par lequel les systèmes quantiques à plusieurs corps atteignent l'équilibre thermique. Le brouillage d'informations, quant à lui, implique la dispersion d'informations locales dans des enchevêtrements quantiques à plusieurs corps, qui sont répartis dans un système quantique à plusieurs corps.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine, du Centre de recherche sur les sciences quantiques de Shanghai et de l'Académie chinoise des sciences ont récemment observé à la fois la thermalisation et le brouillage des informations dans un processeur quantique supraconducteur. Leurs conclusions, publiées dans un article dans Physical Review Letters , pourrait ouvrir la voie à de nouvelles études axées sur la thermodynamique des systèmes quantiques à plusieurs corps.

"Les propriétés de non-équilibre des systèmes quantiques à plusieurs corps sont pertinentes pour savoir si l'intégrabilité du système quantique est rompue", a déclaré Xiaobo Zhu, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Plus précisément, la thermalisation et le brouillage des informations échouent pendant la dynamique hors équilibre des fermions libres unidimensionnels en tant que système intégrable."

L'étude expérimentale de la thermalisation et du brouillage des informations dans les systèmes quantiques intégrables et non intégrables peut être particulièrement difficile, pour deux raisons principales. Tout d'abord, cela nécessite la mise en œuvre expérimentale de ces deux types de systèmes sur le même simulateur quantique.

De plus, pour mener à bien ces expériences, les chercheurs doivent être en mesure de collecter des mesures précises et efficaces de l'entropie d'intrication et des informations mutuelles tripartites. Ces mesures permettent finalement aux scientifiques de quantifier la thermalisation et le brouillage des informations, respectivement, en utilisant généralement une approche connue sous le nom de tomographie d'état quantique multi-qubit.

"Dans nos travaux récents, en utilisant un circuit supraconducteur de type échelle programmable composé de 24 qubits, nous avons étudié expérimentalement la thermalisation et le brouillage dans la chaîne et l'échelle de 12 qubits, en effectuant des simulations quantiques du modèle 1D XX, qui peut être mappé à des fermions libres. , un système intégrable typique, et le modèle XX-ladder en tant que système non intégrable », a expliqué Zhu. "Nous avons observé deux comportements dynamiques distincts de la chaîne et de l'échelle du réseau qubit, démontrant que l'intégrabilité joue un rôle clé dans la thermalisation et le brouillage des informations."

Zhu et ses collègues ont décidé d'étudier la thermalisation quantique et le brouillage des informations dans un processeur quantique supraconducteur caractérisé par une grande programmabilité. En réglant tous les qubits sur les mêmes fréquences d'interaction, ils ont pu étudier expérimentalement la dynamique hors équilibre de la chaîne et de l'échelle de qubits.

"Après l'évolution temporelle, nous pouvons mesurer les observables locaux en projetant tous les qubits sur les projections Z", a déclaré Zhu. "Nous avons également utilisé la tomographie à états quantiques multi-qubits de haute précision pour mesurer l'entropie d'intrication et l'information mutuelle tripartite (TMI). L'architecture de type échelle du circuit supraconducteur nous a permis d'étudier la chaîne 1D intégrable et l'échelle non intégrable. dans le même processeur quantique."

Zhu et ses collègues ont d'abord étudié la thermalisation et le brouillage des informations dans la chaîne et l'échelle du réseau qubit de leur circuit supraconducteur hautement programmable. Leurs observations suggèrent que l'intégrabilité a un impact significatif sur les propriétés des systèmes quantiques à plusieurs corps hors d'équilibre.

"Nous avons également observé une valeur négative stable de TMI dans le système non intégrable, qui est la première signature expérimentale de brouillage d'informations, caractérisée via TMI, jetant les bases d'autres études expérimentales sur TMI dans d'autres plates-formes", a déclaré Zhu. /P>

En plus de recueillir des informations intéressantes sur la pertinence de l'intégrabilité d'un système pour déterminer ses propriétés hors équilibre et dévoiler une signature de brouillage de l'information, Zhu et ses collègues ont été parmi les premiers à étudier les systèmes quantiques à plusieurs corps à l'aide d'un système quantique hautement programmable. processeur.

À l'avenir, la taille du circuit qu'ils utilisaient pourrait être encore élargie, pour effectuer des calculs qui seraient plus difficiles à effectuer avec des ordinateurs classiques. Dans leurs prochaines études, les chercheurs souhaitent approfondir leurs travaux récents, en poursuivant deux axes de recherche principaux.

"Tout d'abord, nous prévoyons d'inclure plus de qubits pour former un système à plusieurs corps plus grand", a ajouté Zhu. "Deuxièmement, nous prévoyons d'améliorer la programmabilité du processeur quantique. Sur le processeur quantique supraconducteur de pointe 'Zuchongzhi 2.0', nous avons démontré avec succès l'avantage quantique. Nous prévoyons d'utiliser ce processeur pour démontrer des phénomènes plus excitants en physique à N corps. » + Explorer plus loin