انتقال فاز درهم تنیدگی ناشی از اندازه گیری در یک مدار کوانتومی – وبلاگ تحقیقاتی گوگل

ارسال شده توسط جسی هوک، محقق دانشجو، و پدرام روشن، دانشمند ارشد تحقیقاتی، تیم هوش مصنوعی کوانتومی

مکانیک کوانتومی پدیده های زیادی را امکان پذیر می کند که به طور کلاسیک غیرممکن هستند: یک ذره کوانتومی می تواند در برهم نهی دو حالت به طور همزمان وجود داشته باشد یا با ذره ای دیگر درهم تنیده شود، به طوری که به نظر می رسد هر کاری که با یکی انجام می دهید، بدون توجه به فضای بین آنها، فوراً روی دیگری نیز تأثیر می گذارد. . اما شاید هیچ جنبه ای از نظریه کوانتومی به اندازه عمل اندازه گیری قابل توجه نباشد. در مکانیک کلاسیک، یک اندازه گیری نیازی به تأثیری بر سیستم مورد مطالعه ندارد. اما اندازه گیری در یک سیستم کوانتومی می تواند عمیقاً بر رفتار آن تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، هنگامی که یک بیت کوانتومی از اطلاعات، به نام کیوبیت، که در برهم نهی هر دو «0» و «1» است، اندازه‌گیری می‌شود، حالت آن ناگهان به یکی از دو حالت مجاز کلاسیک فرو می‌ریزد: یا « خواهد بود. 0 یا 1، اما نه هر دو. به نظر می رسد که این انتقال از جهان های کوانتومی به جهان های کلاسیک با عمل اندازه گیری تسهیل می شود. اینکه دقیقاً چگونه رخ می دهد یکی از سؤالات اساسی بی پاسخ در فیزیک است.

در یک سیستم بزرگ که شامل کیوبیت های زیادی است، اثر اندازه گیری ها می تواند باعث ظهور فازهای جدیدی از اطلاعات کوانتومی شود. مشابه اینکه چگونه تغییر پارامترهایی مانند دما و فشار می‌تواند باعث انتقال فاز در آب از مایع به جامد شود، تنظیم قدرت اندازه‌گیری‌ها می‌تواند باعث انتقال فاز در درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها شود.

امروز در “درهم تنیدگی و انتقال از راه دور بر روی یک پردازنده کوانتومی نویزدار” منتشر شده در طبیعت، ما مشاهدات تجربی اثرات ناشی از اندازه گیری را در یک سیستم 70 کیوبیتی روی پردازنده کوانتومی Sycamore توصیف می کنیم. این، تا حد زیادی، بزرگترین سیستمی است که چنین انتقال فازی در آن مشاهده شده است. علاوه بر این، ما “تلپورت کوانتومی” – زمانی که یک حالت کوانتومی از مجموعه ای از کیوبیت ها به مجموعه ای دیگر از کیوبیت ها منتقل می شود، قابل تشخیص است، حتی اگر جزئیات آن حالت ناشناخته باشد – را شناسایی کردیم که از اندازه گیری های یک مدار تصادفی پدید آمد. ما با اجرای چند «ترفند» هوشمندانه به این پیشرفت دست یافتیم تا نشانه‌های اثرات ناشی از اندازه‌گیری در سیستم را آسان‌تر ببینیم.

زمینه: درهم تنیدگی ناشی از اندازه گیری

سیستمی از کیوبیت ها را در نظر بگیرید که مستقل و بدون درهم تنیدگی با یکدیگر شروع می شوند. اگر آنها با یکدیگر تعامل داشته باشند، درگیر می شوند. شما می توانید این را به عنوان یک شبکه تصور کنید که در آن رشته ها نشان دهنده درهم تنیدگی بین کیوبیت ها هستند. با گذشت زمان، این وب بزرگ‌تر و پیچیده‌تر می‌شود و نقاط مختلف متفاوت را به یکدیگر متصل می‌کند.

اندازه گیری کامل سیستم این وب را کاملاً از بین می برد، زیرا هر برهم نهی درهم تنیده کیوبیت ها هنگام اندازه گیری فرو می ریزد. اما چه اتفاقی می‌افتد وقتی ما فقط روی تعداد کمی از کیوبیت‌ها اندازه‌گیری می‌کنیم؟ یا اگر بین اندازه گیری ها مدت زیادی صبر کنیم؟ در طی این مدت، درهم تنیدگی به رشد خود ادامه می دهد. رشته‌های وب ممکن است مانند گذشته گسترده نباشد، اما هنوز الگوهایی در وب وجود دارد.

یک نقطه تعادل بین قدرت تعاملات و اندازه گیری ها وجود دارد که برای تأثیرگذاری بر پیچیدگی وب رقابت می کنند. وقتی تعاملات قوی و اندازه‌گیری‌ها ضعیف هستند، درهم تنیدگی قوی باقی می‌ماند و رشته‌های تار دورتر گسترش می‌یابند، اما وقتی اندازه‌گیری‌ها شروع به تسلط می‌کنند، شبکه درهم‌تنیدگی از بین می‌رود. ما متقاطع بین این دو افراطی را می نامیم انتقال فاز ناشی از اندازه گیری.

در پردازنده کوانتومی ما، این انتقال فاز ناشی از اندازه گیری را با تغییر نقاط قوت نسبی بین برهمکنش ها و اندازه گیری مشاهده می کنیم. ما با انجام عملیات درهم تنیدگی روی جفت کیوبیت، برهمکنش ها را القا می کنیم. اما دیدن واقعی این شبکه درهم تنیدگی در یک آزمایش بسیار چالش برانگیز است. اولاً، ما هرگز نمی‌توانیم به رشته‌هایی که کیوبیت‌ها را به هم متصل می‌کنند نگاه کنیم – فقط می‌توانیم با دیدن همبستگی‌های آماری بین نتایج اندازه‌گیری کیوبیت‌ها، وجود آنها را استنباط کنیم. بنابراین، ما باید همان آزمایش را بارها تکرار کنیم تا الگوی وب را استنتاج کنیم. اما یک پیچیدگی دیگر وجود دارد: الگوی وب برای هر نتیجه اندازه گیری ممکن متفاوت است. صرف میانگین گرفتن همه آزمایش‌ها با هم بدون توجه به نتایج اندازه‌گیری‌شان، الگوهای شبکه‌ها را از بین می‌برد. برای رسیدگی به این موضوع، برخی آزمایش‌های قبلی از «پس‌انتخاب» استفاده کردند، که در آن فقط داده‌هایی با یک نتیجه اندازه‌گیری خاص استفاده می‌شود و بقیه دور ریخته می‌شوند. با این حال، این باعث می‌شود که تعداد داده‌های «قابل استفاده» که می‌توانید به دست آورید، به طور تصاعدی در حال فروپاشی باشد. علاوه بر این، چالش های عملی مربوط به دشواری اندازه گیری مدار میانی با کیوبیت های ابررسانا و وجود نویز در سیستم نیز وجود دارد.

چگونه این کار را انجام دادیم

برای پرداختن به این چالش‌ها، ما سه ترفند جدید را به آزمایش معرفی کردیم که به ما امکان می‌دهد دینامیک ناشی از اندازه‌گیری را در سیستمی تا 70 کیوبیت مشاهده کنیم.

ترفند 1: مکان و زمان قابل تعویض هستند

هر چند که ممکن است غیرقابل تصور به نظر برسد، تعویض نقش‌های فضا و زمان به طور چشمگیری چالش‌های فنی آزمایش را کاهش می‌دهد. قبل از این تبدیل «دوگانگی فضا-زمان»، باید اندازه‌گیری‌ها را با سایر عملیات‌های درهم‌تنیدگی در هم می‌بستیم، و مرتباً وضعیت کیوبیت‌های انتخابی را بررسی می‌کردیم. در عوض، پس از تبدیل، می‌توانیم همه اندازه‌گیری‌ها را به بعد از انجام تمام عملیات‌های دیگر به تعویق بیاندازیم، که آزمایش را بسیار ساده می‌کند. همانطور که در اینجا پیاده سازی شد، این تبدیل مدار 1 فضایی-بعدی اصلی را که ما علاقه مند به مطالعه آن بودیم به یک مدار 2 بعدی تبدیل می کند. علاوه بر این، از آنجایی که همه اندازه‌گیری‌ها اکنون در انتهای مدار هستند، قدرت نسبی اندازه‌گیری‌ها و فعل و انفعالات درهم‌تنیدگی با تغییر تعداد عملیات درهم‌تنیدگی انجام‌شده در مدار تنظیم می‌شود.

تبادل مکان و زمان برای جلوگیری از پیچیدگی اندازه‌گیری‌ها در آزمایش ما (به عنوان سنج‌هایی در ترک کرد پانل)، ما از نگاشت دوگانه فضا-زمان برای تبادل نقش فضا و زمان استفاده می کنیم. این نگاشت مدار 1 بعدی (ترک کرد) در یک مدار دو بعدی (درست) که در آن عمق مدار (T) اکنون نرخ اندازه گیری موثر را تنظیم می کند.

ترفند 2: غلبه بر گلوگاه پس از انتخاب

از آنجایی که هر ترکیبی از نتایج اندازه‌گیری روی همه کیوبیت‌ها منجر به یک الگوی وب منحصر به فرد از درهم تنیدگی می‌شود، محققان اغلب از پس‌انتخاب برای بررسی جزئیات یک وب خاص استفاده می‌کنند. با این حال، از آنجایی که این روش بسیار ناکارآمد است، ما یک پروتکل «رمزگشایی» جدید ایجاد کردیم که هر نمونه از «وب» واقعی درهم تنیدگی را با همان نمونه در یک شبیه‌سازی کلاسیک مقایسه می‌کند. این از انتخاب پس از انتخاب جلوگیری می کند و به ویژگی هایی که در همه وب ها مشترک است حساس است. این ویژگی مشترک خود را به یک “پارامتر نظم” ترکیبی کلاسیک-کوانتومی نشان می دهد، شبیه به معیار آنتروپی متقابل مورد استفاده در نمونه برداری مدار تصادفی مورد استفاده در نمایش فرا کلاسیک ما.

این پارامتر ترتیب با انتخاب یکی از کیوبیت‌های سیستم به‌عنوان کیوبیت «کاوشگر»، اندازه‌گیری آن و سپس استفاده از رکورد اندازه‌گیری کیوبیت‌های مجاور برای «رمزگشایی» کلاسیک از وضعیت کیوبیت کاوشگر محاسبه می‌شود. با ارتباط متقابل حالت اندازه‌گیری شده کاوشگر با این پیش‌بینی «رمزگشایی شده»، می‌توانیم درهم‌تنیدگی بین کیوبیت پروب و بقیه کیوبیت‌های (اندازه‌گیری نشده) را به دست آوریم. این به عنوان یک پارامتر سفارش عمل می کند، که یک پروکسی برای تعیین ویژگی های درهم تنیدگی کل وب است.

در روش رمزگشایی یک کیوبیت “کاوشگر” (صورتی) را انتخاب می کنیم و به طور کلاسیک مقدار مورد انتظار آن را محاسبه می کنیم، مشروط به رکورد اندازه گیری کیوبیت های اطراف (زرد). سپس پارامتر ترتیب با همبستگی متقاطع بین بیت پروب اندازه گیری شده و مقدار محاسبه شده کلاسیک محاسبه می شود.

ترفند 3: استفاده از نویز به نفع ما

یکی از ویژگی‌های اصلی به اصطلاح «فاز جداسازی» – که در آن اندازه‌گیری‌ها غالب هستند و درهم تنیدگی کمتر گسترده است – عدم حساسیت آن به نویز است. بنابراین می‌توانیم ببینیم که کیوبیت کاوشگر چگونه تحت تأثیر نویز در سیستم قرار می‌گیرد و از آن برای تمایز بین دو فاز استفاده کنیم. در مرحله جداسازی، کاوشگر فقط به نویزهای محلی که در یک منطقه خاص در نزدیکی کاوشگر رخ می دهد حساس خواهد بود. از طرف دیگر، در فاز درهم‌تنیدگی، هر نویز در سیستم می‌تواند بر کیوبیت پروب تأثیر بگذارد. به این ترتیب، ما چیزی را که معمولاً به عنوان یک مزاحم در آزمایش‌ها دیده می‌شود، به یک کاوشگر منحصر به فرد سیستم تبدیل می‌کنیم.

چیزی که ما دیدیم

ما ابتدا بررسی کردیم که چگونه پارامتر ترتیب تحت تاثیر نویز در هر یک از دو فاز قرار گرفت. از آنجایی که هر یک از کیوبیت ها دارای نویز هستند، افزودن کیوبیت های بیشتر به سیستم نویز بیشتری را اضافه می کند. به طور قابل توجهی، ما در واقع متوجه شدیم که در مرحله جداسازی، پارامتر ترتیب با افزودن کیوبیت‌های بیشتر به سیستم تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. این به این دلیل است که در این فاز، رشته های وب بسیار کوتاه هستند، بنابراین کیوبیت کاوشگر تنها به نویز نزدیکترین کیوبیت های خود حساس است. در مقابل، ما متوجه شدیم که در مرحله درهم‌تنیدگی، جایی که رشته‌های شبکه درهم تنیدگی طولانی‌تر کشیده می‌شوند، پارامتر سفارش به اندازه سیستم یا به‌طور معادل آن، میزان نویز در سیستم بسیار حساس است. انتقال بین این دو رفتار کاملاً متضاد نشان‌دهنده گذار در ویژگی درهم تنیدگی سیستم با افزایش «قدرت» اندازه‌گیری است.

پارامتر ترتیب در مقابل چگالی دروازه (تعداد عملیات درهم تنیدگی) برای تعداد مختلف کیوبیت. زمانی که تعداد عملیات درهم تنیدگی کم باشد، اندازه‌گیری‌ها نقش بزرگ‌تری در محدود کردن درهم‌تنیدگی در سراسر سیستم دارند. هنگامی که تعداد عملیات درهم تنیدگی زیاد باشد، درهم تنیدگی گسترده است، که منجر به وابستگی پارامتر سفارش به اندازه سیستم (inset) می شود.

در آزمایش خود، ما همچنین شکل جدیدی از تله‌پورت کوانتومی را نشان دادیم که در فاز درهم‌تنیدگی به وجود می‌آید. به طور معمول، مجموعه خاصی از عملیات برای پیاده سازی تله پورت کوانتومی ضروری است، اما در اینجا، تله پورت از تصادفی بودن دینامیک غیر واحدی پدیدار می شود. هنگامی که همه کیوبیت ها، به جز کاوشگر و سیستم دیگری از کیوبیت های دور، اندازه گیری می شوند، دو سیستم باقی مانده به شدت با یکدیگر درگیر می شوند. بدون اندازه گیری، این دو سیستم کیوبیت از یکدیگر بسیار دور خواهند بود تا بتوان از وجود یکدیگر اطلاع داشت. با این حال، با اندازه‌گیری‌ها، درهم تنیدگی می‌تواند سریع‌تر از محدودیت‌هایی که معمولاً توسط موقعیت و علیت تحمیل می‌شود، ایجاد شود. این «درهم‌تنیدگی ناشی از اندازه‌گیری» بین کیوبیت‌ها (که باید با یک کانال ارتباطی کلاسیک نیز کمک شود) چیزی است که امکان وقوع تله‌پورت کوانتومی را فراهم می‌کند.

آنتروپی پروکسی در مقابل چگالی دروازه برای دو زیرسیستم دور از هم (کیوبیت‌های صورتی و سیاه) وقتی همه کیوبیت‌های دیگر اندازه‌گیری می‌شوند. یک تقاطع با اندازه محدود در ~ 0.9 وجود دارد. بالاتر از این چگالی گیت، کیوبیت کاوشگر با کیوبیت‌های طرف مقابل سیستم درگیر می‌شود و نشانه‌ای از مرحله انتقال از راه دور است.

نتیجه

آزمایش‌های ما تأثیر اندازه‌گیری‌ها را بر مدار کوانتومی نشان می‌دهد. ما نشان می‌دهیم که با تنظیم قدرت اندازه‌گیری‌ها، می‌توانیم انتقال به فازهای جدید درهم‌تنیدگی کوانتومی در سیستم را القا کنیم و حتی شکلی از تله‌پورت کوانتومی را ایجاد کنیم. این کار به طور بالقوه می‌تواند با طرح‌های محاسباتی کوانتومی مرتبط باشد، جایی که درهم‌تنیدگی و اندازه‌گیری هر دو نقش دارند.

سپاسگزاریها

این کار زمانی انجام شد که جسی هوک از دانشگاه استنفورد در گوگل مشغول به کار بود. مایلیم از کیتی مک کورمیک، ارتباط دهنده علوم کوانتومی ما، برای کمک به نوشتن این پست وبلاگ تشکر کنیم.