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Simulazione quantistica della rottura della simmetria parità-tempo con un processore quantistico superconduttore

I ricercatori utilizzano processori quantistici superconduttori per sfidare le convinzioni ampiamente condivise nella fisica quantistica

È possibile estendere i fondamenti degli operatori hermitiani e simulare digitalmente le dinamiche non hermitiane in un processore quantistico superconduttore , hanno dimostrato i ricercatori dell’Università di Aalto. L’esperimento rivoluzionario ha il potenziale per sfidare le nozioni tenute a cuore nella fisica quantistica .

I ricercatori hanno fatto sì che i qubit si comportassero secondo le nuove regole della meccanica quantistica non hermitiana. Sono state fatte due scoperte significative:

L’applicazione di operazioni quantistiche ai qubit non conserva le informazioni quantistiche. La scoperta potenzialmente può affrontare enigmi come il paradosso dell’informazione di Stephen Hawking.
Nella meccanica quantistica non hermitiana, i ricercatori potrebbero alterare il livello di entanglement dei qubit manipolandoli.
L’esperimento
La fisica quantistica standard dipende dai fondamentali dell’ermicità delle osservabili fisiche. Garantisce eigenspectra reali e genera dinamiche unitarie in sistemi quantistici chiusi. Un sistema chiuso si riferisce a sistemi fisici in cui non si verifica alcuno scambio di energia o di informazioni. L’equazione di Schrödinger, un’equazione differenziale parziale lineare che governa i sistemi meccanici quantistici, descrive il comportamento di un sistema chiuso.

I sistemi chiusi sono “inutilmente restrittivi” e non sono adatti per Hamilton, un operatore che corrisponde all’energia totale del sistema, sia cinetica che potenziale. Tuttavia, questo esperimento ha mostrato che un sistema aperto è più adatto.

Questo non vuol dire che il sistema aperto non abbia svantaggi. Ad esempio, con questo tipo di sistema, il guadagno e la dissipazione devono essere controllati con precisione. Quindi, gli esperimenti richiedono configurazioni molto complicate con guadagni e perdite alternate. Inoltre, i sistemi di perdita di guadagno per studiare le proprietà quantistiche come l’entropia, l’entanglement e le correlazioni sono impossibili poiché aggiungono rumore al sistema. Per evitare tali perdite, le dinamiche non hermitiane devono essere realizzate nel regime quantistico per misurare gli effetti sopra menzionati.

Questo esperimento mostra come le dinamiche non Hermitiane possano essere simulate digitalmente in un processore quantistico superconduttore. È reso possibile estendendo lo spazio di Hilbert utilizzando qubit ancilla – bit extra usati per raggiungere obiettivi specifici nel calcolo – sotto l’effetto di porte definite.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno combinato due tecniche:

Metodo di dilatazione universale applicabile all’hamiltoniano
Un metodo per generare una porta a due qubit utilizzando la combinazione di porte a qubit singolo e porte NON controllate.
La seconda tecnica di generazione di una porta a due qubit aiuta a caratterizzare completamente la transizione di simmetria PT interrotta e stabilisce la relazione tra la meccanica quantistica non hermitiana e i teoremi di divieto (teorema che suggerisce che un sistema non è fisicamente possibile).

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In generale, una simmetria PT descrive un sistema in equilibrio con il suo ambiente. L’energia in tali sistemi fluisce dentro e fuori e le misurazioni devono essere effettuate all’interno del quadro teorico.

I ricercatori dell’Università di Aalto hanno ottenuto questo risultato utilizzando processori superconduttori. Sebbene questi processori siano dotati di una propria serie di difetti, nel corso degli anni questi processori hanno prodotto risultati importanti come correzione di errori quantistici, gate tolleranti ai guasti, misurazioni di parità non locali, creazione di stati di grafi altamente entangled, implementazione di testimoni quantistici, e applicazione di soluzioni potenziate dal quantum a un ampio sistema di equazioni lineari. Il processore quantistico superconduttore estrae le correlazioni quantistiche pertinenti e programma in modo efficiente le porte richieste, adattate a una particolare topologia.

Sorin Paraoanu, il ricercatore capo per l’esperimento, ha detto : “La cosa eccitante di questi risultati è che i computer quantistici sono ora sufficientemente sviluppati per iniziare a usarli per testare idee non convenzionali che finora sono state solo matematiche”.

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