Nos últimos anos, os físicos realizaram extensos estudos com foco em tecnologia quântica e sistemas quânticos de muitos corpos. Dois processos dinâmicos fora do equilíbrio que atraíram atenção especial neste campo são a termalização quântica e a embaralhamento de informações.
A termalização, ou "o relaxamento para o equilíbrio", é um processo pelo qual os sistemas quânticos de muitos corpos atingem o equilíbrio térmico. O embaralhamento de informações, por outro lado, envolve a dispersão de informações locais em emaranhados quânticos de muitos corpos, que são distribuídos ao longo de um sistema quântico de muitos corpos.

Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, do Centro de Pesquisa de Ciências Quânticas de Xangai e da Academia Chinesa de Ciências observaram recentemente a termalização e a confusão de informações em um processador quântico supercondutor. Suas descobertas, publicadas em um artigo na Physical Review Letters , poderia abrir caminho para novos estudos com foco na termodinâmica de sistemas quânticos de muitos corpos.

“As propriedades de não equilíbrio dos sistemas quânticos de muitos corpos são relevantes para saber se a integrabilidade do sistema quântico está quebrada”, disse Xiaobo Zhu, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Especificamente, a termalização e o embaralhamento de informações falham durante a dinâmica de não equilíbrio dos férmions livres unidimensionais como um sistema integrável".

Investigar experimentalmente a termalização e o embaralhamento de informações em sistemas quânticos integráveis ​​e não integráveis ​​pode ser particularmente desafiador, por duas razões principais. Em primeiro lugar, fazer isso requer a implementação experimental de ambos os tipos de sistemas no mesmo simulador quântico.

Além disso, para conduzir com sucesso esses experimentos, os pesquisadores precisam ser capazes de coletar medições precisas e eficientes de entropia de emaranhamento e informações mútuas tripartidas. Essas medições, em última análise, permitem que os cientistas quantifiquem a termografia e o embaralhamento de informações, respectivamente, normalmente usando uma abordagem conhecida como tomografia de estado quântico multi-qubit.

"Em nosso trabalho recente, usando um circuito supercondutor do tipo escada programável composto por 24 qubits, estudamos experimentalmente a termalização e o embaralhamento na cadeia e escada de 12 qubits, realizando simulações quânticas do modelo 1D XX, que pode ser mapeado para férmions livres , um sistema integrável típico, e o modelo XX-ladder como um sistema não integrável", explicou Zhu. "Observamos dois comportamentos dinâmicos distintos da cadeia e da escada do array qubit, demonstrando que a integrabilidade desempenha um papel fundamental na termalização e na confusão de informações".

Zhu e seus colegas decidiram estudar termalização quântica e embaralhamento de informações em um processador quântico supercondutor caracterizado por uma alta programabilidade. Ao ajustar todos os qubits para as mesmas frequências de interação, eles foram capazes de estudar experimentalmente a dinâmica de não equilíbrio da cadeia e escada de qubits.

“Após a evolução do tempo, podemos medir os observáveis ​​locais projetando todos os qubits para as projeções Z”, disse Zhu. "Também usamos tomografia de estado quântico multi-qubit de alta precisão para medir a entropia de emaranhamento e a informação mútua tripartida (TMI). A arquitetura do tipo escada do circuito supercondutor nos permitiu estudar a cadeia 1D integrável e a escada não integrável no mesmo processador quântico."

Zhu e seus colegas investigaram pela primeira vez a termalização e o embaralhamento de informações na cadeia e escada de matriz qubit do circuito supercondutor altamente programável. Suas observações sugerem que a integrabilidade afeta significativamente as propriedades de sistemas quânticos de muitos corpos fora do equilíbrio.

"Também observamos um valor negativo estável de TMI no sistema não integrável, que é a primeira assinatura experimental de embaralhamento de informações, caracterizada via TMI, estabelecendo as bases para mais estudos experimentais sobre TMI em outras plataformas", disse Zhu.

Além de reunir informações interessantes sobre a relevância da integrabilidade de um sistema na determinação de suas propriedades fora do equilíbrio e revelar uma assinatura de embaralhamento de informações, Zhu e seus colegas foram os primeiros a estudar sistemas quânticos de muitos corpos usando um sistema quântico altamente programável. processador.

No futuro, o tamanho do circuito que eles usaram poderia ser expandido ainda mais, para realizar cálculos que seriam mais difíceis de realizar usando computadores clássicos. Em seus próximos estudos, os pesquisadores gostariam de expandir seus trabalhos recentes, seguindo duas direções principais de pesquisa.

“Em primeiro lugar, planejamos incluir mais qubits para formar um sistema maior de muitos corpos”, acrescentou Zhu. "Em segundo lugar, planejamos melhorar a programabilidade do processador quântico. No processador quântico supercondutor de última geração 'Zuchongzhi 2.0', demonstramos com sucesso a vantagem quântica. Planejamos usar este processador para demonstrar fenômenos mais emocionantes na física de muitos corpos." + Explorar mais

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