超导量子处理器中的热化和信息加扰

近年来，物理学家进行了广泛的研究，重点是量子技术和量子多体系统。在这一领域引起特别关注的两个失衡动力学过程是量子热化和信息加扰。

热化，或“弛豫到平衡”，是量子多体系统实现热平衡的过程。另一方面，信息加扰需要将局部信息散射成多体量子纠缠，这些纠缠分布在整个量子多体系统中。

中国科学技术大学，上海量子科学研究中心和中国科学院的研究人员最近观察到超导量子处理器中的热化和信息加扰。他们的发现发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，可以为专注于量子多体系统热力学的新研究铺平道路。

“量子多体系统的非平衡性质与量子系统的可积性是否被打破有关，”进行这项研究的研究人员之一朱晓波告诉 Phys.org。“具体来说，在作为可积系统的一维自由费米子的非平衡动力学中，热化和信息加扰失败。

实验研究可积和不可积量子系统中的热化和信息加扰可能特别具有挑战性，原因有两个关键原因。首先，这样做需要在同一量子模拟器上实验实现这两种类型的系统。

此外，为了成功进行这些实验，研究人员需要能够收集准确有效的纠缠熵和三方互信息测量值。这些测量最终使科学家能够分别量化热化和信息加扰，通常使用一种称为多量子位量子态断层扫描的方法。

“在我们最近的工作中，使用由24个量子位组成的可编程梯形超导电路，我们实验研究了12量子位链和梯形中的热化和加扰，执行了1D XX模型的量子模拟，该模型可以映射到自由费米子，典型的可积系统，以及XX梯形模型作为不可积系统，”Zhu解释说。“我们观察到量子比特阵列链和梯形图的两种不同的动态行为，证明可积性在热化和信息加扰中起着关键作用。

朱和他的同事决定在具有高可编程性的超导量子处理器中研究量子热化和信息加扰。通过将所有量子比特调谐到相同的相互作用频率，他们能够通过实验研究量子比特链和梯形图的非平衡动力学。

“在时间演化之后，我们可以通过将所有量子位投影到Z投影来测量局部可观察量，”朱说。“我们还使用高精度多量子位量子态断层扫描来测量纠缠熵和三方互信息（TMI）。超导电路的梯形架构使我们能够研究同一量子处理器中的可积1D链和不可积梯形。

朱和他的同事首先研究了高度可编程的超导电路的量子比特阵列链和梯形图中的热化和信息加扰。他们的观察表明，可积性显着影响失衡量子多体系统的性质。

“我们还在不可积系统中观察到TMI的稳定负值，这是通过TMI表征的信息加扰的第一个实验特征，为在其他平台上对TMI进行进一步实验研究奠定了基础，”朱说。

除了收集有关系统可积性在确定其失衡特性和揭示信息扰扰特征方面的相关性的有趣见解之外，朱和他的同事还是最早使用高度可编程量子处理器研究量子多体系统的人之一。

将来，他们使用的电路的大小可以进一步扩大，以执行使用经典计算机更难执行的计算。在接下来的研究中，研究人员希望扩展他们最近的工作，追求两个主要的研究方向。

“首先，我们计划包括更多的量子位，以形成一个更大的多体系统，”朱补充说。“其次，我们计划提高量子处理器的可编程性。在最先进的超导量子处理器“祖冲之 2.0”上，我们已经成功地展示了量子优势。我们计划使用这款处理器来演示多体物理学中更多令人兴奋的现象。