Entanglement tra una serie di qubit superconduttori

L'entanglement è una forma di correlazione tra oggetti quantistici, come particelle su scala atomica. Questo fenomeno unicamente quantistico non può essere spiegato dalle leggi della fisica classica, eppure è una delle proprietà che spiega il comportamento macroscopico dei sistemi quantistici. L'entanglement e la sua propagazione sono fondamentali per comprendere molte proprietà fisiche dei sistemi quantistici. In particolare, all'interno dei sistemi quantistici chiusi a molti corpi, si ritiene che l'entanglement produca un comportamento termodinamico emergente. Tuttavia, una comprensione universale rimane difficile a causa della non integrabilità e dell’intrattabilità computazionale della maggior parte dei sistemi quantistici su larga scala. Le piattaforme hardware quantistiche forniscono un mezzo per studiare la formazione e il ridimensionamento dell'entanglement nell'interazione di sistemi a molti corpi.

Poiché l’entanglement è fondamentale per il modo in cui funzionano i sistemi quantistici, comprenderlo meglio potrebbe dare agli scienziati un senso più profondo di come le informazioni vengono archiviate ed elaborate in modo efficiente in tali sistemi.

I qubit, o bit quantistici, sono gli elementi costitutivi di un computer quantistico. Tuttavia, è estremamente difficile creare stati entangled specifici in sistemi a molti qubit, per non parlare di investigarli. Esistono anche una varietà di stati intrecciati e distinguerli può essere difficile.

Ora, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno dimostrato una tecnica per generare in modo efficiente l’entanglement tra una serie di qubit superconduttori che mostrano un tipo specifico di comportamento.

Negli ultimi anni, i ricercatori del gruppo Engineering Quantum Systems (EQuS) (1) hanno sviluppato tecniche che utilizzano la tecnologia a microonde per controllare con precisione un processore quantistico composto da circuiti superconduttori. Oltre a queste tecniche di controllo, i metodi introdotti in questo lavoro consentono al processore di generare in modo efficiente stati altamente entanglement e di spostare tali stati da un tipo di entanglement a un altro, compresi i tipi che hanno maggiori probabilità di supportare l’accelerazione quantistica e quelli che non sono.

«Qui stiamo dimostrando che possiamo utilizzare i processori quantistici emergenti come strumento per approfondire la nostra comprensione della fisica. Sebbene tutto ciò che abbiamo fatto in questo esperimento fosse su una scala che può ancora essere simulata su un computer classico, abbiamo una buona tabella di marcia per portare questa tecnologia e metodologia oltre la portata dell’informatica classica», afferma il dottor Amir H. Karamlou (2) '18, MEng ' 18, PhD '23, l'autore principale dell'articolo.

L'autore senior è William D. Oliver (3), professore di ingegneria elettrica, informatica e fisica di Henry Ellis Warren, direttore del Centro di ingegneria quantistica, leader del gruppo EQuS e direttore associato del Laboratorio di ricerca di elettronica. A Karamlou e Oliver si uniscono il ricercatore Jeff Grover (4), il postdoc Ilan Rosen (5) e altri nei dipartimenti di ingegneria elettrica e informatica e di fisica al MIT, al MIT Lincoln Laboratory, al Wellesley College e all'University of Maryland. La ricerca appare oggi su Nature (6).

Valutare l'intreccio

In un grande sistema quantistico comprendente molti qubit interconnessi, si può pensare all’entanglement come alla quantità di informazioni quantistiche condivise tra un dato sottosistema di qubit e il resto del sistema più grande.

L’entanglement all’interno di un sistema quantistico può essere classificato come legge di area o legge di volume, in base a come queste informazioni condivise si adattano alla geometria dei sottosistemi. Nell’entanglement basato sulla legge del volume, la quantità di entanglement tra un sottosistema di qubit e il resto del sistema cresce proporzionalmente alla dimensione totale del sottosistema.

D’altra parte, l’entanglement della legge di area dipende da quante connessioni condivise esistono tra un sottosistema di qubit e il sistema più grande. Man mano che il sottosistema si espande, la quantità di entanglement cresce solo lungo il confine tra il sottosistema e il sistema più grande.

In teoria, la formazione dell’entanglement basato sulla legge del volume è legata a ciò che rende l’informatica quantistica così potente.

«Anche se non abbiamo ancora del tutto astratto il ruolo che l’entanglement gioca negli algoritmi quantistici, sappiamo che generare l’entanglement basato sulla legge del volume è un ingrediente chiave per realizzare un vantaggio quantistico», afferma Oliver.

Tuttavia, l'entanglement basato su leggi di volume è anche più complesso dell'entanglement basato su leggi di area ed è praticamente proibitivo simularlo su larga scala utilizzando un computer classico.

«Man mano che aumenti la complessità del tuo sistema quantistico, diventa sempre più difficile simularlo con i computer convenzionali. Se provassi a tenere traccia di un sistema con 80 qubit, ad esempio, avrei bisogno di memorizzare più informazioni di quelle che abbiamo immagazzinato nel corso della storia dell’umanità», afferma Karamlou.

I ricercatori hanno creato un processore quantistico e un protocollo di controllo che consentono loro di generare e sondare in modo efficiente entrambi i tipi di entanglement.

Il loro processore comprende circuiti superconduttori, che vengono utilizzati per progettare atomi artificiali. Gli atomi artificiali vengono utilizzati come qubit, che possono essere controllati e letti con elevata precisione utilizzando segnali a microonde.

Il dispositivo utilizzato per questo esperimento conteneva 16 qubit, disposti in una griglia bidimensionale. I ricercatori hanno messo a punto attentamente il processore in modo che tutti i 16 qubit abbiano la stessa frequenza di transizione. Quindi, hanno applicato simultaneamente un’ulteriore trasmissione a microonde a tutti i qubit.

Se questo motore a microonde ha la stessa frequenza dei qubit, genera stati quantistici che mostrano un entanglement basato sulla legge del volume. Tuttavia, quando la frequenza delle microonde aumenta o diminuisce, i qubit mostrano un minore entanglement basato sulla legge del volume, passando infine a stati entangled che seguono sempre più un ridimensionamento basato sulla legge dell’area.

Controllo attento

«Il nostro esperimento è un tour de force delle capacità dei processori quantistici superconduttori. In un esperimento, abbiamo utilizzato il processore sia come dispositivo di simulazione analogico, consentendoci di preparare in modo efficiente stati con diverse strutture di entanglement, sia come dispositivo di elaborazione digitale, necessario per misurare il conseguente ridimensionamento dell’entanglement», afferma Rosen.

Per consentire tale controllo, il team ha dedicato anni di lavoro alla costruzione attenta dell’infrastruttura attorno al processore quantistico.

Dimostrando il passaggio dall'entanglement basato sulla legge del volume all'entanglement basato sulla legge dell'area, i ricercatori hanno confermato sperimentalmente ciò che gli studi teorici avevano previsto. Ancora più importante, questo metodo può essere utilizzato per determinare se l’entanglement in un generico processore quantistico è basato sulla legge dell’area o sul volume.

Il dottor Pedram Roushan di Google (7), anch’egli non coinvolto nello studio, spiega che «L’esperimento del MIT sottolinea la distinzione tra entanglement con legge di area e legge di volume nelle simulazioni quantistiche bidimensionali che utilizzano qubit superconduttori. Ciò integra magnificamente il nostro lavoro sulla tomografia hamiltoniana dell’entanglement con ioni intrappolati in una pubblicazione parallela pubblicata su Nature nel 2023 (8). Quantificare l’entanglement nei grandi sistemi quantistici è un compito impegnativo per i computer classici, ma è un buon esempio di come la simulazione quantistica potrebbe aiutare. Utilizzando una serie 2D di qubit superconduttori, Karamlou e colleghi sono stati in grado di misurare l’entropia di entanglement di vari sottosistemi di varie dimensioni. Misurano i contributi della legge di volume e della legge di area all'entropia, rivelando il comportamento di crossover quando l'energia dello stato quantistico del sistema viene sintonizzata. Dimostra in modo potente le intuizioni uniche che i simulatori quantistici possono offrire».

In futuro, gli scienziati potrebbero utilizzare questa tecnica per studiare il comportamento termodinamico di sistemi quantistici complessi, che è troppo complesso per essere studiato utilizzando gli attuali metodi analitici e praticamente proibitivo da simulare anche sui supercomputer più potenti del mondo.

«Gli esperimenti che abbiamo fatto in questo lavoro possono essere usati per caratterizzare o valutare sistemi quantistici su larga scala, e potremmo anche imparare qualcosa di più sulla natura dell’entanglement in questi sistemi a molti corpi», dice Karamlou.

Altri coautori dello studio sono Sarah E. Muschinske, Cora N. Barrett, Agustin Di Paolo, Leon Ding, Patrick M. Harrington, Max Hays, Rabindra Das, David K. Kim, Bethany M. Niedzielski, Meghan Schuldt, Kyle Serniak, Mollie E. Schwartz, Jonilyn L. Yoder, Simon Gustavsson e Yariv Yanay. Questa ricerca è finanziata, in parte, dal U.S. Department of Energy, dall'U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, dall'U.S. Army Research Office, dal National Science Foundation, dal STC Center for Integrated Quantum Materials, dal Wellesley College Samuel and Hilda Levitt Fellowship, NASA, e dal Oak Ridge Institute for Science and Education.

Riferimenti:

(1) Engineering Quantum Systems Group

(2) Amir H. Karamlou

(3) William D. Oliver

(4) Jeff Grover

(5) Ilan Rosen

(6) Probing entanglement in a 2D hard-core Bose–Hubbard lattice

(7) Pedram Roushan

(8) Exploring large-scale entanglement in quantum simulation

Descrizione foto: In un grande sistema quantistico comprendente molte parti interconnesse, si può pensare all’entanglement come alla quantità di informazioni quantistiche condivise tra un dato sottosistema di qubit (rappresentati come sfere con frecce) e il resto del sistema più grande. L'entanglement all'interno di un sistema quantistico può essere classificato come legge di area o legge di volume in base a come queste informazioni condivise si adattano alla geometria dei sottosistemi, come illustrato qui. - Credit: Eli Krantz, Krantz NanoArt.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: MIT scientists tune the entanglement structure in an array of qubits