En los últimos años, los físicos han llevado a cabo amplios estudios centrados en la tecnología cuántica y los sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Dos procesos dinámicos fuera del equilibrio que han llamado especialmente la atención en este campo son la termalización cuántica y la codificación de la información.

La termalización, o "la relajación hasta el equilibrio", es un proceso a través del cual los sistemas cuánticos de muchos cuerpos alcanzan el equilibrio térmico. La codificación de información, por otro lado, implica la dispersión de información local en entrelazamientos cuánticos de muchos cuerpos, que se distribuyen a lo largo de un sistema cuántico de muchos cuerpos.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, el Centro de Investigación de Ciencias Cuánticas de Shanghai y la Academia de Ciencias de China han observado recientemente tanto la termalización como la codificación de la información en un procesador cuántico superconductor. Sus hallazgos, publicados en un artículo en Physical Review Letters , podría allanar el camino hacia nuevos estudios centrados en la termodinámica de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos.

"Las propiedades de no equilibrio de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos son relevantes para determinar si se rompe la integrabilidad del sistema cuántico", dijo a Phys.org Xiaobo Zhu, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Específicamente, la termalización y la codificación de la información fallan durante la dinámica de no equilibrio de los fermiones libres unidimensionales como un sistema integrable".

Investigar experimentalmente la termalización y la codificación de información en sistemas cuánticos integrables y no integrables puede ser particularmente desafiante, por dos razones clave. En primer lugar, hacer esto requiere la implementación experimental de ambos tipos de sistemas en el mismo simulador cuántico.

Además, para llevar a cabo con éxito estos experimentos, los investigadores deben poder recopilar mediciones precisas y eficientes de la entropía de entrelazamiento y la información mutua tripartita. En última instancia, estas mediciones permiten a los científicos cuantificar la termalización y la codificación de la información, respectivamente, normalmente utilizando un enfoque conocido como tomografía de estado cuántico multiqubit.

"En nuestro trabajo reciente, utilizando un circuito superconductor de tipo escalera programable que consta de 24 qubits, estudiamos experimentalmente la termalización y la codificación en la cadena y la escalera de 12 qubits, realizando simulaciones cuánticas del modelo 1D XX, que se puede asignar a fermiones libres , un sistema integrable típico, y el modelo XX-ladder como un sistema no integrable", explicó Zhu. "Observamos dos comportamientos dinámicos distintos de la cadena y la escalera de la matriz de cúbits, lo que demuestra que la integrabilidad desempeña un papel clave en la termalización y la codificación de la información".

Zhu y sus colegas decidieron estudiar la termalización cuántica y la codificación de información en un procesador cuántico superconductor caracterizado por una alta capacidad de programación. Al sintonizar todos los qubits con las mismas frecuencias de interacción, pudieron estudiar experimentalmente la dinámica de desequilibrio de la cadena y la escalera de qubits.

"Después de la evolución del tiempo, podemos medir los observables locales proyectando todos los qubits a las proyecciones Z", dijo Zhu. "También utilizamos tomografía de estado cuántico multiqubit de alta precisión para medir la entropía de entrelazamiento y la información mutua tripartita (TMI). La arquitectura de tipo escalera del circuito superconductor nos permitió estudiar la cadena 1D integrable y la escalera no integrable en el mismo procesador cuántico".

Zhu y sus colegas primero investigaron la termalización y la codificación de información en la cadena y escalera de matriz de qubits de su circuito superconductor altamente programable. Sus observaciones sugieren que la integrabilidad afecta significativamente las propiedades de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos fuera de equilibrio.

"También observamos un valor negativo estable de TMI en el sistema no integrable, que es la primera firma experimental de codificación de información, caracterizada a través de TMI, que sienta las bases para más estudios experimentales sobre TMI en otras plataformas", dijo Zhu.

Además de recopilar información interesante sobre la relevancia de la integrabilidad de un sistema para determinar sus propiedades fuera del equilibrio y revelar una firma de codificación de información, Zhu y sus colegas fueron de los primeros en estudiar sistemas cuánticos de muchos cuerpos usando un sistema cuántico altamente programable. procesador.

En el futuro, el tamaño del circuito que usaron podría ampliarse aún más, para realizar cálculos que serían más difíciles de realizar con computadoras clásicas. En sus próximos estudios, a los investigadores les gustaría ampliar su trabajo reciente, siguiendo dos direcciones de investigación principales.

"En primer lugar, planeamos incluir más qubits para formar un sistema más grande de muchos cuerpos", agregó Zhu. "En segundo lugar, planeamos mejorar la capacidad de programación del procesador cuántico. En el procesador cuántico superconductor de última generación 'Zuchongzhi 2.0', hemos demostrado con éxito la ventaja cuántica. Planeamos usar este procesador para demostrar fenómenos más emocionantes en la física de muchos cuerpos". + Explora más

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