درهم تنیدگی شکلی از همبستگی بین اجسام کوانتومی، مانند ذرات در مقیاس اتمی است. این پدیده کوانتومی منحصر به فرد را نمی توان با قوانین فیزیک کلاسیک توضیح داد، اما با این وجود یکی از ویژگی هایی است که رفتار ماکروسکوپی سیستم های کوانتومی را توضیح می دهد.
از آنجایی که درهم تنیدگی در نحوه عملکرد سیستم‌های کوانتومی نقش اساسی دارد، درک بهتر آن می‌تواند درک عمیق‌تری از نحوه ذخیره و پردازش کارآمد اطلاعات در چنین سیستم‌هایی به دانشمندان بدهد.
کیوبیت ها یا بیت های کوانتومی، اجزای سازنده یک کامپیوتر کوانتومی هستند. با این حال، ایجاد حالت های درهم تنیده خاص در سیستم های چند کیوبیتی بسیار دشوار است، چه رسد به مطالعه آنها. همچنین حالت های درهم تنیده مختلفی وجود دارد و تمایز بین آنها می تواند چالش برانگیز باشد.
اکنون محققان MIT تکنیکی را برای ایجاد درهم تنیدگی کارآمد در میان آرایه‌ای از کیوبیت‌های ابررسانا که نوع خاصی از رفتار را نشان می‌دهند، نشان داده‌اند.
در سال های اخیر، محققان مهندسی سیستم های کوانتومی (EQuSگروه تکنیک هایی را با استفاده از فناوری مایکروویو برای کنترل دقیق یک پردازنده کوانتومی متشکل از مدارهای ابررسانا توسعه داده است. علاوه بر این تکنیک‌های کنترلی، روش‌های معرفی‌شده در این کار به پردازنده اجازه می‌دهد تا به طور مؤثر حالت‌های درهم تنیده را تولید کند و آن حالت‌ها را از یک نوع درهم‌تنیدگی به دیگری تغییر دهد – از جمله بین انواعی که احتمال بیشتری دارد از شتاب کوانتومی پشتیبانی کنند نه
در اینجا نشان می‌دهیم که می‌توانیم از پردازنده‌های کوانتومی نوظهور به عنوان ابزاری برای افزایش درک خود از فیزیک استفاده کنیم. در حالی که همه کارهایی که ما در این آزمایش انجام دادیم در مقیاسی بود که هنوز می‌توان روی یک کامپیوتر کلاسیک شبیه‌سازی کرد، ما نقشه راه خوبی برای مقیاس‌بندی این فناوری و روش‌شناسی فراتر از دسترس محاسبات کلاسیک داریم. 18، PhD ’23، نویسنده اصلی مقاله.
نویسنده ارشد ویلیام دی. الیور، هنری الیس وارن، استاد علوم برق و کامپیوتر و فیزیک، مدیر مرکز مهندسی کوانتومی، رهبر گروه EQuS و معاون مدیر آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک است. کاراملو و اولیور توسط دانشمند محقق جف گروور، فوق دکترای ایلان روزن، و دیگران در بخش های برق و علوم کامپیوتر و فیزیک در MIT، در آزمایشگاه MIT لینکلن، و در کالج ولزلی و دانشگاه مریلند همراه هستند. این تحقیقات امروز در طبیعت.
تخمین درهم تنیدگی
در یک سیستم کوانتومی بزرگ که شامل بسیاری از کیوبیت‌های به هم پیوسته است، درهم تنیدگی را می‌توان به عنوان مقدار اطلاعات کوانتومی به اشتراک گذاشته شده بین یک زیرسیستم معین از کیوبیت‌ها و بقیه سیستم بزرگتر در نظر گرفت.
درهم تنیدگی در یک سیستم کوانتومی را می توان به عنوان قانون منطقه یا قانون حجم طبقه بندی کرد که بر اساس این که چگونه این اطلاعات به اشتراک گذاشته شده با هندسه زیرسیستم ها مقیاس می شود. در درهم تنیدگی حجم-قانون، میزان درهم تنیدگی بین یک زیرسیستم کیوبیت و بقیه سیستم متناسب با اندازه کل زیرسیستم رشد می کند.
از سوی دیگر، درهم تنیدگی قانون مساحت به تعداد اتصالات مشترک بین یک زیر سیستم کیوبیت و سیستم بزرگتر بستگی دارد. با گسترش زیرسیستم، درجه درهم تنیدگی فقط در امتداد مرز بین زیرسیستم و سیستم بزرگتر افزایش می یابد.
در تئوری، شکل گیری درهم تنیدگی قانون حجم به چیزی که محاسبات کوانتومی را بسیار قدرتمند می کند، مرتبط است.
اولیور می‌گوید: «اگرچه ما هنوز نقش درهم تنیدگی در الگوریتم‌های کوانتومی را کاملاً انتزاع نکرده‌ایم، می‌دانیم که تولید قانون حجمی از درهم تنیدگی یک عنصر کلیدی برای تحقق یک مزیت کوانتومی است.
با این حال، درهم تنیدگی حجم-قانون نیز پیچیده تر از درهم تنیدگی قانون منطقه است و در مقیاس عملاً برای شبیه سازی با استفاده از رایانه کلاسیک ممنوع است.
هرچه پیچیدگی سیستم کوانتومی خود را افزایش می دهید، شبیه سازی آن با رایانه های معمولی دشوارتر می شود. کرملو می‌گوید: اگر بخواهم سیستمی را به طور کامل با 80 کیوبیت ردیابی کنم، باید اطلاعات بیشتری از آنچه در طول تاریخ بشر ذخیره کرده‌ایم ذخیره کنم.
محققان یک پردازنده کوانتومی و پروتکل کنترلی ایجاد کردند که به آنها اجازه می دهد هر دو نوع درهم تنیدگی را به طور موثر تولید و مطالعه کنند.
پردازنده آنها از مدارهای ابررسانا تشکیل شده است که برای طراحی اتم های مصنوعی استفاده می شود. اتم های مصنوعی به عنوان کیوبیت استفاده می شوند که با استفاده از سیگنال های مایکروویو می توان آنها را با دقت بالا کنترل و خواند.
دستگاه مورد استفاده برای این آزمایش شامل 16 کیوبیت بود که در یک شبکه دو بعدی چیده شده بودند. محققان با دقت پردازنده را تنظیم کردند تا همه 16 کیوبیت فرکانس انتقال یکسانی داشته باشند. سپس یک درایو مایکروویو اضافی را به طور همزمان به همه کیوبیت ها اعمال کردند.
اگر این درایو مایکروویو فرکانس یکسانی با کیوبیت ها داشته باشد، حالت های کوانتومی ایجاد می کند که درهم تنیدگی قانون حجم را نشان می دهد. با این حال، همانطور که فرکانس مایکروویو افزایش یا کاهش می‌یابد، کیوبیت‌ها درهم‌تنیدگی قانون حجم کمتری را نشان می‌دهند، و در نهایت به حالت‌های درهم‌تنیده تبدیل می‌شوند که به‌طور فزاینده‌ای از مقیاس‌بندی قانون ناحیه‌ای پیروی می‌کنند.
کنترل دقیق
«آزمایش ما سفری به امکانات پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا است. روزن می‌گوید: در یک آزمایش، ما با CPU هم به‌عنوان یک دستگاه شبیه‌سازی آنالوگ کار کردیم که به ما امکان می‌دهد حالت‌ها را با ساختارهای درهم‌تنیدگی مختلف به‌طور کارآمد آماده کنیم و هم به‌عنوان یک دستگاه محاسباتی دیجیتالی که برای اندازه‌گیری مقیاس‌بندی درهم‌تنیدگی بعدی لازم است.
برای فعال کردن این کنترل، تیم سال‌ها کار را برای ساختن زیرساخت‌های اطراف پردازنده کوانتومی به دقت انجام داد.
با نشان دادن انتقال از درهم تنیدگی قانون حجم به قانون مساحت، محققان به طور تجربی پیش‌بینی‌های مطالعات نظری را تأیید کردند. مهمتر از آن، این روش می تواند برای تعیین اینکه آیا درهم تنیدگی در یک پردازنده کوانتومی عمومی قانون مساحت است یا قانون حجم استفاده می شود.
آزمایش MIT تمایز بین درهم‌تنیدگی قانون مساحت و قانون حجم را در شبیه‌سازی‌های کوانتومی دو بعدی با استفاده از کیوبیت‌های ابررسانا برجسته می‌کند. این به خوبی کار ما را بر روی توموگرافی درهم تنیدگی هامیلتونی با یون های به دام افتاده در یک تکمیل می کند انتشار موازی منتشر شده در طبیعت در سال 2023، پیتر زولر، استاد فیزیک نظری در دانشگاه اینسبروک، که در این کار دخالتی نداشت، می گوید.
پدرام روشان از گوگل که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «تعیین کمی درهم تنیدگی در سیستم‌های کوانتومی بزرگ یک کار چالش برانگیز برای رایانه‌های کلاسیک است، اما مثال خوبی از جایی است که شبیه‌سازی کوانتومی می‌تواند کمک کند.» کاراملو و همکارانش با استفاده از یک آرایه دوبعدی از کیوبیت‌های ابررسانا توانستند آنتروپی درهم تنیدگی زیرسیستم‌های مختلف با اندازه‌های مختلف را اندازه‌گیری کنند. آنها سهم قانون حجم و قانون مساحت را در آنتروپی اندازه‌گیری می‌کنند و رفتار متقاطع را به عنوان آهنگ‌های انرژی حالت کوانتومی سیستم آشکار می‌کنند. این بینش منحصربه‌فردی را که شبیه‌سازهای کوانتومی می‌توانند ارائه دهند، به شدت نشان می‌دهد.
در آینده، دانشمندان می‌توانند از این تکنیک برای مطالعه رفتار ترمودینامیکی سیستم‌های کوانتومی پیچیده استفاده کنند، که برای مطالعه با استفاده از روش‌های تحلیلی کنونی بسیار پیچیده است و حتی در قوی‌ترین ابررایانه‌های جهان نیز تقریباً غیرممکن است.
کرملو می‌گوید: «آزمایش‌هایی که ما در این کار انجام دادیم می‌تواند برای مشخص کردن یا محک زدن سیستم‌های کوانتومی بزرگتر استفاده شود، و همچنین ممکن است چیزهای بیشتری در مورد ماهیت درهم‌تنیدگی در این سیستم‌های چند بدنه بیاموزیم».
سایر نویسندگان همکار این مطالعه هستند سارا ای. موچینسکی، کورا ان. بارت، آگوستین دی پائولو، لئون دینگ، پاتریک ام. هرینگتون، مکس هیز، رابیندرا داس، دیوید کی. کیم، بتانی ام. نیدزیلسکی، مگان شولد، کایل سرنیاک، مولی ای. شوارتز، جونیلین ال یودر، سایمون گوستاوسون و یاریو یانایی.
این تحقیق تا حدی توسط وزارت انرژی ایالات متحده، آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده، سرویس تحقیقات ارتش ایالات متحده، بنیاد ملی علوم، مرکز STC برای مواد کوانتومی یکپارچه، کمک هزینه تحصیلی کالج Wellesley Samuel و Hilda Levitt، ناسا تامین شده است. و موسسه علوم و آموزش اوک ریج.