Formación de estados unidos robustos de fotones que interactúan – Google AI Blog

Formacion de estados unidos robustos de fotones que interactuan –

Cuando se propusieron por primera vez las computadoras cuánticas, se esperaba que fueran una forma de comprender mejor el mundo cuántico. Con el llamado «simulador cuántico», se podría diseñar una computadora cuántica para investigar cómo surgen varios fenómenos cuánticos, incluidos aquellos que son intratables para simular con una computadora clásica.

Pero hacer un simulador cuántico útil ha sido un desafío. Hasta ahora, las simulaciones cuánticas con qubits superconductores se han utilizado predominantemente para verificar predicciones teóricas preexistentes y rara vez han explorado o descubierto nuevos fenómenos. Solo unos pocos experimentos con iones atrapados o átomos fríos han revelado nuevos conocimientos. Los qubits superconductores, si bien son uno de los principales candidatos para la computación cuántica universal y han demostrado capacidades computacionales más allá del alcance clásicohasta ahora no han entregado su potencial para el descubrimiento.

En «Formación de estados ligados robustos de fotones que interactúan«, publicado en Naturaleza, describimos un fenómeno previamente impredecible descubierto por primera vez a través de la investigación experimental. Primero, presentamos la confirmación experimental de la predicción teórica de la existencia de una partícula compuesta de fotones que interactúan, o un estado ligadoutilizando la Procesador cuántico Google Sycamore. En segundo lugar, mientras estudiábamos este sistema, descubrimos que aunque uno podría suponer que los estados ligados son frágiles, siguen siendo robustos a las perturbaciones que esperábamos que de otro modo los hubieran destruido. Esto no solo abre la posibilidad de diseñar sistemas que aprovechen las interacciones entre fotones, sino que también marca un paso adelante en el uso de procesadores cuánticos superconductores para realizar nuevos descubrimientos científicos mediante la simulación de dinámicas cuánticas fuera del equilibrio.

Descripción general

Fotones, o cuantos de la radiación electromagnética como la luz y las microondas, por lo general no interactúan. Por ejemplo, dos haces de luz de linterna que se cruzan se atravesarán sin ser perturbados. En muchas aplicaciones, como las telecomunicaciones, las interacciones débiles de los fotones son una característica valiosa. Para otras aplicaciones, como las computadoras basadas en la luz, la falta de interacciones entre los fotones es un inconveniente.

En un procesador cuántico, los qubits alojan fotones de microondas, que pueden interactuar mediante operaciones de dos qubits. Esto nos permite simular la modelo XXZque describe el comportamiento de interactuando fotones Es importante destacar que este es uno de los algunos ejemplos de modelos integrables, es decir, uno con un alto grado de simetría, lo que reduce en gran medida su complejidad. Cuando implementamos el modelo XXZ en el procesador Sycamore, observamos algo sorprendente: las interacciones obligan a los fotones a formar paquetes conocidos como estados ligados.

Usando este modelo bien entendido como punto de partida, luego llevamos el estudio a un régimen menos entendido. Rompemos el alto nivel de simetrías que se muestra en el modelo XXZ agregando sitios adicionales que pueden ser ocupados por los fotones, lo que hace que el sistema ya no sea integrable. Si bien se espera que este régimen no integrable muestre un comportamiento caótico en el que los estados vinculados se disuelven en su forma habitual y solitaria, ¡nos encontramos con que sobreviven!

Fotones enlazados

Para diseñar un sistema que pueda soportar la formación de estados ligados, estudiamos un anillo de qubits superconductores que albergan fotones de microondas. Si está presente un fotón, el valor del qubit es “1”, y si no, el valor es “0”. A través de los llamados Puerta cuántica «fSim»conectamos sitios vecinos, lo que permite que los fotones salten e interactúen con otros fotones en los sitios vecinos más cercanos.

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Los qubits superconductores pueden ocuparse o desocuparse con fotones de microondas. La operación de puerta «fSim» permite que los fotones salten e interactúen entre sí. La evolución unitaria correspondiente tiene un término de salto entre dos sitios (naranja) y un término de interacción correspondiente a una fase añadida cuando dos sitios adyacentes están ocupados por un fotón.
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Implementamos la puerta fSim entre qubits vecinos (izquierda) para formar efectivamente un anillo de 24 qubits interconectados en los que simulamos el comportamiento de los fotones que interactúan (Correcto).

Las interacciones entre los fotones afectan su llamada «fase». Esta fase realiza un seguimiento de la oscilación de la función de onda del fotón. Cuando los fotones no interactúan, su acumulación de fase es poco interesante. Como un coro bien ensayado, todos están sincronizados entre sí. En este caso, un fotón que inicialmente estaba junto a otro fotón puede alejarse de su vecino sin perder la sincronización. Así como cada persona en el coro contribuye a la canción, todos los caminos posibles que puede tomar el fotón contribuyen a la función de onda general del fotón. Un grupo de fotones inicialmente agrupados en sitios vecinos se convertirá en una superposición de todos los caminos posibles que podría haber tomado cada fotón.

Cuando los fotones interactúan con sus vecinos, este ya no es el caso. Si un fotón se aleja de su vecino, su tasa de acumulación de fase cambia y pierde la sincronización con sus vecinos. Todos los caminos en los que los fotones se separan se superponen, lo que lleva a una interferencia destructiva. Sería como si cada miembro del coro cantara a su propio ritmo: la canción en sí se desvanece y se vuelve imposible de discernir a través del estruendo de los cantantes individuales. Entre todas las posibles rutas de configuración, el único escenario posible que sobrevive es la configuración en la que todos los fotones permanecen agrupados en un estado vinculado. Esta es la razón por la que la interacción puede mejorar y conducir a la formación de un estado ligado: suprimiendo todas las demás posibilidades en las que los fotones no están ligados entre sí.

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Izquierda: Evolución de los fotones que interactúan formando un estado ligado. Derecha: El tiempo va de izquierda a derecha, cada camino representa uno de los caminos que pueden romper el estado enlazado de 2 fotones. Debido a las interacciones, estos caminos interfieren destructivamente, evitando que los fotones se separen.
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Probabilidad de ocupación versus ciclo de puerta, o paso de tiempo discreto, para norte-Estados unidos a fotones. Preparamos estados enlazados de diferentes tamaños y los observamos evolucionar. Observamos que la mayoría de los fotones (colores más oscuros) permanecen unidos.

En nuestro procesador, comenzamos colocando de dos a cinco fotones en sitios adyacentes (es decir, inicializando de dos a cinco qubits adyacentes en «1» y los qubits restantes en «0») y luego estudiamos cómo se propagan. Primero, notamos que en el régimen de parámetros predicho teóricamente, permanecen pegados. Luego, encontramos que los estados ligados más grandes se mueven más lentamente alrededor del anillo, consistente con el hecho de que son “más pesados”. Esto se puede ver en el gráfico de arriba, donde los sitios de la red más cercanos al Sitio 12, la posición inicial de los fotones, permanecen más oscuros que los demás a medida que aumenta el número de fotones (norteph) en el estado enlazado, lo que indica que con más fotones unidos hay menos propagación alrededor del anillo.

Los estados ligados se comportan como partículas compuestas individuales

Para mostrar más rigurosamente que los estados ligados se comportan como partículas individuales con propiedades físicas bien definidas, ideamos un método para medir cómo cambia la energía de las partículas con el momento, es decir, la energía-momento relación de dispersión.

Para medir la energía del estado ligado, usamos el hecho de que la diferencia de energía entre dos estados determina qué tan rápido crece su fase relativa con el tiempo. Por lo tanto, preparamos el estado ligado en una superposición con el estado que no tiene fotones y medimos su diferencia de fase en función del tiempo y el espacio. Entonces, para convertir el resultado de esta medida en una relación de dispersión, utilizamos una Transformada de Fourier, que traduce la posición y el tiempo en cantidad de movimiento y energía, respectivamente. Nos quedamos con la familiar relación energía-momento de las excitaciones en una red.

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Espectroscopia de estados ligados. Comparamos la acumulación de fase de un norte-Estado unido de fotones con el del vacío (sin fotones) en función del sitio y el tiempo de la red. un 2D Transformada de Fourier produce la relación de dispersión de la cuasipartícula en estado ligado.

Romper la integrabilidad

El sistema anterior es «integrable», lo que significa que tiene un número suficiente de cantidades conservadas que su dinámica está restringida a una pequeña parte del espacio computacional disponible. En tales regímenes integrables, la aparición de estados ligados no es tan sorprendente. De hecho, los estados ligados en sistemas similares fueron predicho en 2012, después observado en 2013. Sin embargo, estos estados vinculados son frágiles y generalmente se piensa que su existencia se deriva de la integrabilidad. Para sistemas más complejos, hay menos simetría y la integrabilidad se pierde rápidamente. Nuestra idea inicial era investigar cómo desaparecen estos estados ligados a medida que rompemos la integrabilidad para comprender mejor su rigidez.

Para romper la integrabilidad, modificamos qué qubits están conectados con puertas fSim. Agregamos qubits para que en sitios alternos, además de saltar a cada uno de sus dos sitios vecinos más cercanos, un fotón también pueda saltar a un tercer sitio orientado radialmente hacia afuera del anillo.

Si bien un estado ligado está restringido a una parte muy pequeña del espacio de fase, esperábamos que el comportamiento caótico asociado con la ruptura de la integrabilidad permitiera al sistema explorar el espacio de fase con mayor libertad. Esto haría que los estados vinculados se rompieran. Encontramos que este no es el caso. Incluso cuando la ruptura de la integrabilidad es tan fuerte que los fotones tienen la misma probabilidad de saltar al tercer sitio que a cualquiera de los dos sitios adyacentes del anillo, el estado ligado permanece intacto, hasta el efecto de decoherencia que los hace decaer lentamente. (ver documento para más detalles).

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Parte superior: Nueva geometría para romper la integrabilidad. Los sitios alternos están conectados a un tercer sitio orientado radialmente hacia afuera. Esto aumenta la complejidad del sistema y permite un comportamiento potencialmente caótico. Abajo: A pesar de esta complejidad añadida que lleva al sistema más allá de la integrabilidad, encontramos que el estado ligado de 3 fotones permanece estable incluso para una perturbación relativamente grande. La probabilidad de permanecer atado disminuye lentamente debido a la decoherencia (ver artículo).

Conclusión

Todavía no tenemos una explicación satisfactoria para esta resistencia inesperada. Especulamos que puede estar relacionado con un fenómeno llamado pretermalización, donde las escalas de energía desproporcionadas en el sistema pueden evitar que un sistema alcance el equilibrio térmico tan rápido como lo haría de otra manera. Creemos que futuras investigaciones conducirán a nuevos conocimientos sobre la física cuántica de muchos cuerpos, incluida la interacción de la pretermalización y la integrabilidad.

Agradecimientos

Nos gustaría agradecer a nuestra comunicadora de ciencia cuántica Katherine McCormick por su ayuda para escribir esta publicación de blog.

Fuente del artículo

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