科学家调整量子位阵列中的纠缠结构

纠缠是量子物体(例如原子尺度的粒子)之间的一种相关形式。经典物理定律无法解释这种独特的量子现象，但它是解释量子系统宏观行为的属性之一。

由于纠缠是量子系统工作方式的核心，更好地理解它可以让科学家更深入地了解信息如何在此类系统中有效存储和处理。

量子位或量子位是量子计算机的构建块。然而，在多量子位系统中制造特定的纠缠态是极其困难的，更不用说研究它们了。纠缠态也有很多种，区分它们可能具有挑战性。

现在，麻省理工学院的研究人员已经展示了一种技术，可以在表现出特定类型行为的一系列超导量子位之间有效地产生纠缠。

过去几年，工程量子系统(EQuS)小组的研究人员开发了利用微波技术精确控制由超导电路组成的量子处理器的技术。除了这些控制技术之外，这项工作中引入的方法使处理器能够有效地生成高度纠缠态，并将这些状态从一种纠缠类型转移到另一种纠缠类型，包括在更有可能支持量子加速的类型和那些不支持量子加速的类型之间转移。不是。

“在这里，我们正在证明我们可以利用新兴的量子处理器作为工具来加深我们对物理学的理解。虽然我们在这个实验中所做的一切都达到了仍然可以在经典计算机上模拟的规模，但我们有一个很好的路线图将这项技术和方法扩展到经典计算的范围之外，”AmirH.Karamlou'18、MEng'18、Ph.D.说。'23，该论文的主要作者。

该研究发表在《自然》杂志上。

评估纠缠

在包含许多互连量子位的大型量子系统中，人们可以将纠缠视为给定量子位子系统与较大系统的其余部分之间共享的量子信息量。

根据共享信息如何随子系统的几何形状缩放，量子系统内的纠缠可以分为面积定律或体积定律。在体积定律纠缠中，量子位子系统与系统其余部分之间的纠缠量与子系统的总大小成比例增长。

另一方面，面积律纠缠取决于量子位子系统和更大系统之间存在多少共享连接。随着子系统的扩展，纠缠的数量只会沿着子系统和更大系统之间的边界增长。

理论上，体积定律纠缠的形成与量子计算如此强大的原因有关。

奥利弗说：“虽然我们还没有完全抽象出纠缠在量子算法中所扮演的角色，但我们确实知道产生体积定律纠缠是实现量子优势的关键因素。”

然而，体积定律纠缠也比面积定律纠缠更复杂，并且实际上难以使用经典计算机进行大规模模拟。

“随着量子系统复杂性的增加，用传统计算机模拟它变得越来越困难。例如，如果我试图完全跟踪具有80个量子位的系统，那么我需要存储的信息比我们已经储存了整个人类历史，”卡拉姆卢说。

研究人员创建了一种量子处理器和控制协议，使他们能够有效地生成和探测这两种类型的纠缠。

他们的处理器包含超导电路，用于设计人造原子。人造原子被用作量子位，可以使用微波信号进行高精度控制和读出。

用于该实验的设备包含排列在二维网格中的16个量子位。研究人员仔细调整了处理器，使所有16个量子位都具有相同的跃迁频率。然后，他们同时对所有量子位施加额外的微波驱动。

如果这种微波驱动器具有与量子位相同的频率，它就会产生表现出体积定律纠缠的量子态。然而，随着微波频率的增加或减少，量子位表现出较少的体积定律纠缠，最终跨越到越来越遵循面积定律缩放的纠缠态。

小心控制

“我们的实验是超导量子处理器能力的杰作。在一项实验中，我们将处理器作为模拟模拟设备来操作，使我们能够有效地准备具有不同纠缠结构的状态，并作为数字计算设备来操作，需要来测量随后的纠缠尺度，”罗森说。

为了实现这种控制，该团队花费了多年的时间精心构建了围绕量子处理器的基础设施。

通过演示从体积定律到面积定律纠缠的交叉，研究人员通过实验证实了理论研究的预测。更重要的是，该方法可用于确定通用量子处理器中的纠缠是面积定律还是体积定律。

“麻省理工学院的实验强调了使用超导量子位的二维量子模拟中面积定律和体积定律纠缠之间的区别。这完美地补充了我们在2023年《自然》杂志上发表的并行出版物中关于捕获离子的纠缠哈密顿断层扫描的工作，”说因斯布鲁克大学理论物理学教授彼得·佐勒(PeterZoller)没有参与这项工作。

“量化大型量子系统中的纠缠对于经典计算机来说是一项具有挑战性的任务，但这是量子模拟可以提供帮助的一个很好的例子，”谷歌的PedramRoushan说，他也没有参与这项研究。

“使用超导量子位的二维阵列，Karamlou和同事能够测量不同大小的各种子系统的纠缠熵。他们测量了体积定律和面积定律对熵的贡献，揭示了系统量子态能量调整时的交叉行为它有力地展示了量子模拟器可以提供的独特见解。”

未来，科学家可以利用这项技术来研究复杂量子系统的热力学行为，这些系统太复杂，无法使用当前的分析方法进行研究，而且即使在世界上最强大的超级计算机上也几乎无法进行模拟。

卡拉姆卢说：“我们在这项工作中所做的实验可用于表征或基准更大规模的量子系统，我们还可以更多地了解这些多体系统中纠缠的本质。”