Os pesquisadores da Universidade de Innsbruck desenvolveram um método para tornar mensuráveis ​​propriedades antes dificilmente acessíveis em sistemas quânticos. O novo método para determinar o estado quântico em simuladores quânticos reduz o número de medições necessárias e torna o trabalho com simuladores quânticos muito mais eficiente.

Em alguns anos, uma nova geração de simuladores quânticos poderia fornecer percepções que não seriam possíveis usando simulações em supercomputadores convencionais. Os simuladores quânticos são capazes de processar uma grande quantidade de informações, uma vez que eles superpõem mecanicamente um número enormemente grande de estados de bits. Por esta razão, Contudo, também se mostra difícil ler essas informações do simulador quântico. A fim de ser capaz de reconstruir o estado quântico, um grande número de medições individuais é necessário. O método usado para ler o estado quântico de um simulador quântico é chamado de tomografia de estado quântico.

"Cada medição fornece uma 'imagem transversal' do estado quântico. Você então coloca essas imagens transversais juntas para formar o estado quântico completo, "explica o físico teórico Christian Kokail da equipe de Peter Zoller no Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica da Academia Austríaca de Ciências e do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck. O número de medições necessárias no laboratório aumenta muito rapidamente com o tamanho do sistema. "O número de medições cresce exponencialmente com o número de qubits, "diz o físico. Os pesquisadores de Innsbruck agora conseguiram desenvolver um método muito mais eficiente para simuladores quânticos.

Método eficiente que oferece novos insights

Os insights da teoria quântica de campos permitem que a tomografia de estado quântico seja muito mais eficiente, ou seja, a ser realizada com significativamente menos medições. "O fascinante é que não estava claro desde o início que as previsões da teoria quântica de campos poderiam ser aplicadas aos nossos experimentos de simulação quântica, "diz o físico teórico Rick van Bijnen." O estudo de trabalhos científicos mais antigos desse campo nos levou a esse caminho. "A teoria quântica de campos fornece a estrutura básica do estado quântico no simulador quântico. Apenas algumas medições são necessárias para ajustar os detalhes nesta estrutura básica.

Com base nisso, os pesquisadores de Innsbruck desenvolveram um protocolo de medição pelo qual a tomografia do estado quântico se torna possível com um número drasticamente reduzido de medições. Ao mesmo tempo, o novo método permite que novos insights sobre a estrutura do estado quântico sejam obtidos. Os físicos testaram o novo método com dados experimentais de um simulador quântico íon trap do grupo de pesquisa de Innsbruck liderado por Rainer Blatt e Christian Roos. "No processo, agora fomos capazes de medir propriedades do estado quântico que anteriormente não eram observáveis ​​nesta qualidade, "Kokail reconta.

Verificação do resultado

Um protocolo de verificação desenvolvido pelo grupo junto com Andreas Elben e Benoit Vermersch dois anos atrás pode ser usado para verificar se a estrutura do estado quântico realmente corresponde às expectativas da teoria quântica de campos. "Podemos usar outras medidas aleatórias para verificar se a estrutura básica para tomografia que desenvolvemos com base na teoria realmente se encaixa ou está completamente errada, "explica Christian Kokail.

O protocolo levanta uma bandeira vermelha se a estrutura não se encaixa. Claro, isso também seria uma descoberta interessante para os físicos, porque possivelmente forneceria pistas para a relação ainda não totalmente compreendida com a teoria quântica de campos. No momento, os físicos em torno de Peter Zoller estão desenvolvendo protocolos quânticos nos quais a estrutura básica do estado quântico não é armazenada em um computador clássico, mas é realizado diretamente no simulador quântico.

O estudo é publicado em Física da Natureza .