Ett universellt ramverk som beskriver kodning av kvantinformation i öppna system.

By | November 24, 2023

Schema för operatörsstorleksfördelningar för olika klasser av öppen kvantdynamik med många kroppar. Operatörens storleksfördelning kvantifierar hur information kodas och utgör ryggraden i vårt ramverk för hur fel sprider sig i öppen dynamik med många kroppar. Kreditera: Fysiska undersökningsbrev (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.160402

Under de senaste åren har fysiker försökt att bättre förstå hur kvantinformation fortplantar sig i system av interagerande partiklar, ett fenomen som ofta kallas “förvrängning”. Förvirring i slutna system, fysiska system som endast kan utbyta energi med frihetsgrader inom systemet, är ett karakteristiskt drag för kaotisk kvantdynamik med många kroppar.

I öppna system, som kan utbyta både energi och materia med sin omgivning, påverkas kodningen av flera ytterligare faktorer, inklusive brus och fel. Även om effekterna av dessa ytterligare influenser är väl dokumenterade och leder till exempel till dekoherens, är hur de påverkar kodningen fortfarande dåligt förstådda.

Två forskare från University of California Berkeley (UC Berkeley) och Harvard University introducerade nyligen ett nytt ramverk, publicerat i Fysiska undersökningsbrev, som ger en universell bild av hur informationskodning sker i öppna kvantsystem. Deras ramverk erbjuder en särskilt enkel bild av hur man förstår och modellerar felutbredning i ett öppet kvantsystem och kan hjälpa till att förklara några tidigare förbryllande observationer som samlats in i MRI-experiment.

“Norm och jag har arbetat tillsammans i flera projekt fokuserade på kodning av kvantinformation,” sa Thomas Schuster, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org.

“En del av vårt arbete fokuserade på hur man mäter kodning och en del på vad kodning kan vara användbar för. I alla dessa projekt uppstod en naturlig fråga hela tiden: Hur förändras kodning av fel (d.v.s. “öppet system”? dynamik) som oundvikligen förekomma i verkliga experiment? Även om denna fråga uppenbarligen var viktig, hade vi ingen tillfredsställande ram för att besvara den.”

När de undersökte denna fråga insåg Schuster och Yao att det kan vara användbart att överväga saker ur ett experimentellt perspektiv. Detta ledde slutligen till deras senaste studie.

“I öppen systemdynamik stör fel systemet och vi skulle vilja veta hur känsligt vårt experiment är för dessa störningar,” sa Schuster. “Detta tyder på att ett experiments känslighet för fel måste relateras till hur informationen är kodad. Med utgångspunkt från denna initiala idé arbetade vi med att klargöra sambandet mellan fel och kodning, och att analysera dess konsekvenser för fysiska system och experiment av intresse. .”

Nyckeltanken bakom Schuster och Yaos senaste studie är att kodningen av information i ett öppet system är något oberoende av själva felens mikroskopiska karaktär. Snarare beror allt på hur dessa fel påverkar så kallade “operatörsstorleksfördelningar”, en karaktärisering av operatörens komplexitet baserad på tidsutveckling.

“Dynamiken i operatörens storleksfördelning avgör exakt hur fel sprider sig,” förklarade Schuster. “På sin enklaste nivå tar detta formen av två kopplade differentialekvationer. Ingången till ekvationerna är hur storleksfördelningen av operatorerna förändras, medan utdata kan ses som en korrekt förutsägelse av hur felen fortplantar sig.”

Medan vissa tidigare studier hade antytt detta samband, hade ingen hittills formulerat det klart och exakt. Därvid fann Schuster och Yao att interaktionen mellan fel och förvirring var mycket mer nyanserad än vad som tidigare förutsetts.

“Ett annat nytt resultat av vårt arbete är att fel också ändrar beteendet hos informationen som kodas,” sa Schuster. “Detta leder till en intressant växelverkan mellan fel och kodning, beskriven av ekvationerna som nämnts ovan. Resultatet av denna växelverkan beror på själva dynamikens natur och kan användas som en inneboende karaktärisering av dessa dynamik, förutom att förutsäga olika egenskaper av experiment.”

En särskilt fruktbar miljö för att tillämpa Schuster och Yaos ramverk uppstår i vissa experiment som involverar så kallad “ergodisk” mångkroppsdynamik. Detta kan utföras och valideras i framtida arbete.

“En trevlig överraskning vi upptäckte när vi slutförde våra resultat är att vårt ramverk också gäller en stor klass av experiment, kallade ‘Loschmidt-eko’, som har varit av intresse för kärnmagnetisk resonans (NMR) och kvantkaosgemenskaper.” under flera decennier,” sa Schuster. “Loschmidt-ekot är ett mångårigt tankeexperiment inom termodynamik, som går tillbaka till Josef Loschmidt och grundandet av termodynamiken på 1800-talet.”

Medan experimentella metoder kring Loschmidt-ekot har fortsatt att förbättras, både i kvantsimuleringsexperiment och magnetiska resonansstudier i fast tillstånd, har tolkningen av dessa signaler, särskilt för interagerande Hamiltonianer i det senare sammanhanget, fortsatt att vara en utmaning.

“Experimentalister passade olika funktionella former (t.ex. Gaussian, exponentiell eller sigmoid) till sina data, men de hade aldrig en förklaring till varför ett specifikt experiment följde en funktionell form snarare än en annan,” sa Schuster. “I början av 2000-talet upptäckte forskare ett ramverk för att beskriva Loschmidt-ekot i kvantsystem med få kroppar, men fallet för många kroppssystem är fortfarande en öppen fråga. Vi tror att vårt ramverk kan ge ett svar på denna fråga.”

Förutom att belysa hur fel sprider sig i öppna kvantsystem med många kroppar, tyder det senaste arbetet också på att data från Loschmidt-ekoexperimenten kan innehålla mer information än vad som ursprungligen visas.

“Samspelet mellan fel och operatörens storleksfördelningsdynamik bestämmer den funktionella formen av Loschmidt-ekot,” sa Schuster. “Vi är övertygade om att så är fallet i leksaksmodeller som vi kan studera numeriskt, och i framtida arbete hoppas vi kunna ge en mer detaljerad analys av Loschmidts ekoexperimentdata för att bekräfta att vårt ramverk gäller även där. Det finns flera tecken det talar starkt för ja, vilket jag tycker är ganska spännande.

När vi ser framåt är Schuster och Yao intresserade av att tillämpa sitt nya ramverk på en mängd andra experiment. De planerar också att utforska konsekvenserna av deras resultat för den klassiska simuleringen av öppna kvantsystem.

“Vi undrar om vår förståelse av spridningen av information i dessa öppna system verkligen kan ge insikt i hur mycket kvantfördelar som kan utnyttjas av dem”, säger Yao. “Och å andra sidan, om nya algoritmer kan designas för att effektivt simulera öppna kvantsystem.”

Mer information:
Thomas Schuster et al, Tillväxt av operatörer i öppna kvantsystem, Fysiska undersökningsbrev (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.160402

© 2023 Red Ciencia X

Citat: Ett universellt ramverk som beskriver kvantinformationskryptering i öppna system (2023, 23 november) hämtat 23 november 2023 från https://phys.org/news/2023-11-universal-framework-scrambling-quantum .html

Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Bortsett från all rättvis handel för privata studier eller forskningsändamål, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast i informationssyfte.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *