A experimentação explora defeitos e flutuações em dispositivos quânticos
Correlações induzidas por entropia das paredes do domínio. a Uma parede de domínio situada no topo de um local Σ fixa o qubit com um custo entrópico que é menor em energia do que no caso mostrado em (b). Em (c), duas paredes de domínio de sítio σ são "emparelhados" se ambas estiverem ao redor do mesmo sítio Σ. O emparelhamento cria vantagem entrópica em relação a duas paredes de domínio distantes uma da outra, liberando um qubit Σ flexível. As linhas vermelhas pontilhadas indicam a correlação transversal entre as paredes do domínio. Os momentos magnéticos para cima e para baixo são representados em azul e vermelho, respectivamente. Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44281-0 A pesquisa experimental conduzida por uma equipe conjunta do Laboratório Nacional de Los Alamos e da D-Wave Quantum Systems examina o papel paradoxal das flutuações na indução de ordenação magnética em uma rede de qubits.
Usando uma plataforma de recozimento quântico D-Wave, a equipe descobriu que as flutuações podem diminuir a energia total dos momentos magnéticos em interação, um entendimento que pode ajudar a reduzir o custo do processamento quântico em dispositivos.
“Nesta pesquisa, em vez de focar na busca por desempenho superior de computadores quânticos em relação aos equivalentes clássicos, nosso objetivo era explorar uma rede densa de qubits interconectados para observar e compreender o comportamento quântico”, disse Alejandro Lopez-Bezanilla, físico da divisão Teórica. em Los Álamos.
Promover a ordem adicionando flutuações
Conforme descrito em um artigo publicado na Nature Communications , a equipe investigou a interação complexa de aproximadamente 2.000 qubits dentro de uma rede hexagonal assimétrica. Eles exploraram o impacto de fatores que normalmente induzem desordem nos momentos magnéticos – o pequeno campo magnético criado pelos qubits supercondutores.
A equipe introduziu flutuações, significando mudanças dinâmicas no alinhamento e disposição dos momentos magnéticos, que foram impulsionadas tanto por efeitos térmicos, associados à temperatura, quanto por efeitos quânticos, resultantes da aplicação de um campo magnético externo. Isso lhes permitiu fazer experiências com entropia, momentos magnéticos e desordem na rede magnética “frustrada” que haviam projetado.
Os resultados provaram ser um argumento contra-intuitivo:sob algumas condições físicas, configurações com uma distribuição agrupada de defeitos emergem como o estado mais provável, desafiando os pressupostos convencionais sobre a relação entre desordem e entropia. Se a expectativa predominante é que configurações com maior entropia apresentem maior desordem, a equipe conseguiu demonstrar em um sistema quântico que estados ordenados caracterizados por padrões específicos podem emergir, semelhante ao processo de “ordem por desordem”, mesmo quando aparentemente desordenado. fatores indutores estão presentes.
“A ideia de que poderíamos promover a ordem adicionando flutuações térmicas e até melhorá-la adicionando flutuações quânticas pode parecer paradoxal”, disse Cristiano Nisoli, físico do laboratório e coautor do estudo. "Mas conseguimos observar em detalhes como as flutuações influenciam os mecanismos e as condições físicas que levam ao agrupamento de defeitos. Essa visão pode nos apontar para melhorias na forma como os sistemas quânticos são construídos."
No futuro, desenvolvimentos adicionais da plataforma quântica e capacidades experimentais D-Wave permitirão que os pesquisadores se concentrem exclusivamente no papel das flutuações quânticas, desembaraçando-as da influência simultânea das flutuações térmicas.
Mais informações: Alejandro Lopez-Bezanilla et al, Flutuações quânticas conduzem correlações não monotônicas em uma rede qubit, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44281-0 Fornecido pelo Laboratório Nacional de Los Alamos
