В останні роки були досягнуті значні успіхи в розробці цифрових квантових комп'ютерів і симуляторів. Ці нові фізичні системи відкривають безпрецедентні можливості для управління та вимірювання різних квантових динамік. В результаті деякі фундаментальні питання фізики багатьох тіл, які раніше вважалися б умоглядними і виходять за рамки експериментальних досліджень, тепер можуть бути досліджені в лабораторних умовах.
Вчені зі Стенфордського університету нещодавно провели дослідження, яке вивчає роль квантових вимірювань у динаміці багатьох тіл.
У своїй статті, опублікованій в Physical Review Letters, вони спеціально представили протокол, який може бути використаний для реалізації динаміки, що включає квантові вимірювання в квантових комп'ютерах і квантових симуляторах, уникаючи при цьому процедурного кроку, відомого як постселекція.
"Вимірювання займають особливе місце в квантовій фізиці: вони змушують систему раптово "колапсувати" на один з декількох можливих результатів вимірювань, обраних випадковим чином ", - сказали Маттео Іпполіті і Ведіка Хемані, два фізики, які проводили це дослідження.
"Наприклад, уявіть собі кота Шредінгера в" суперпозиції "в коробці - як тільки коробка відкривається, стан кота колапсує або в живе, або в мертве. Навпаки, квантові системи, які «залишені в спокої», розвиваються детермінованим чином, також відомим як «унітарна» динаміка.
За останні кілька років, почасти мотивовані недавнім прогресом у розробці квантових обчислювальних пристроїв, багато дослідників почали вивчати взаємодію між квантовими вимірами і унітарною динамікою багатьох тел. Цікаво, що вони передбачили, що стани, створювані цими пристроями, демонструватимуть різноманітний набір нових явищ. Згодом ці спостереження стали предметом численних теоретичних досліджень.
"З експериментальної точки зору випадковість квантових вимірювань являє собою велику проблему: для того, щоб надійно створити один і той же стан (необхідний для вимірювання його властивостей або використання в програмах), потрібно знову і знову відтворювати одну і ту ж випадкову послідовність результатів вимірювань ", - пояснили Іпполіті і Хемані. "Це експоненційно рідкісне явище, як кидання монети багато разів і отримання прямої послідовності, і це не технічне обмеження, а швидше наслідок основних правил квантової механіки. Це проблема «постселекції».
Щоб виміряти заплутаність у неунітарній динаміці, дослідникам довелося б багаторазово повторювати експеримент, щоб задовольнити цю вимогу «постселекції», яка була б непомірно важкою.
Основна мета дослідження, проведеного вченими, полягала в розробці стратегії, що дозволяє експериментально реалізувати цю динаміку без необхідності постселекції. Вони припустили, що це може бути досягнуто шляхом обміну ролями простору і часу, використовуючи ідею, відому як дуальність простору-часу.
"Простіше кажучи, уявіть собі, що у вашій лабораторії є набір квантових бітів (кубітів), розташованих на лінії, в позиціях один, два і т. д. Їх можна змусити взаємодіяти зі своїми сусідами і таким чином еволюціонувати в часі, описуючи квантові обчислення.
-Тепер уявіть собі "віртуальну" систему, яка існує в тимчасовому напрямку лабораторії і еволюціонує в просторовому напрямку - перехід від кубіту один до кубіту два в лабораторії означає еволюцію цієї віртуальної системи протягом однієї одиниці часу і т. д. "
«Віртуальна еволюція» досліджуваної фізиками системи виявилася неунітарною, що, по суті, означає, що вона включає в себе деякі вимірювальні елементи. Ці елементи, однак, повністю детерміновані і можуть бути надійно і багаторазово відтворені. Ця найважливіша характеристика дозволила їм втілити свою ідею в протокол для реалізації та вивчення динаміки заплутування в квантових симуляторах.
«Ідеї, що лежать в основі нашого дослідження, можуть здатися досить абстрактними, але ми переводимо їх в конкретний протокол, який може бути виконаний на сучасних цифрових квантових симуляторах», - сказали Іпполіті і Хемані. «Це створює прямий шлях до експериментального вивчення цих нових типів квантової динаміки, що включають вимірювання, а також наближає деякі захоплюючі теоретичні ідеї до здійснення».
У майбутньому протокол може відкрити нові можливості для вивчення динаміки заплутування в квантових системах. Крім того, робота могла б послужити основою для розробки нових стратегій захисту інформації, що зберігається в існуючих і знову розроблюваних квантових пристроях.
Ідея «просторово-часової подвійності», введена цими дослідниками, також може бути використана для вивчення численних фізичних явищ і динаміки, пов'язаних з квантовими системами.
«В даний час ми вивчаємо види цікавих станів, які можуть бути отримані таким чином, і як вони можуть бути пов'язані з фазами квантової матерії, які ми знаємо», - додали Іпполіті і Хемані. "У більш загальному плані наші дослідження будуть ґрунтуватися на цій новій ері квантових обчислень і моделювання з двома цілями: з одного боку, відкриття нових фундаментальних явищ, що стали можливими завдяки технологічному прогресу; з іншого боку, пошук нових фундаментальних ідей, які можуть вплинути на самі технології, особливо на нові способи зберігання і маніпулювання квантовою інформацією, заснованою на динаміці.