Le processeur quantique détecte les états associés aux photons qui sont puissants même au milieu du chaos

Les chercheurs ont utilisé un processeur quantique pour rendre les photons micro-ondes inhabituellement collants. Ils les ont persuadés de se regrouper dans des états liés, puis ont découvert que ces groupes de photons survivaient dans un système dans lequel on s’attendait à ce qu’ils se désintègrent dans leur état solitaire habituel. La découverte a été faite pour la première fois sur un processeur quantique, indiquant le rôle croissant que ces plates-formes jouent dans l’étude de la dynamique quantique.

Les photons – des paquets quantiques de rayonnement électromagnétique tels que la lumière ou les micro-ondes – n’interagissent normalement pas les uns avec les autres. Par exemple, deux faisceaux de lampe torche croisés se traversent sans perturbation. Mais dans un groupe de qubits supraconducteurs, les photons micro-ondes peuvent être amenés à interagir.

en formation solide pays restreints de l’interaction des photons » publié aujourd’hui dans la natureDans cet article, des chercheurs de Google Quantum AI décrivent comment ils ont conçu cette situation inhabituelle. Ils ont étudié un épisode de 24 qubits supraconducteurs peut héberger photons micro-ondes. En appliquant des portes quantiques à des paires de qubits adjacentes, les photons peuvent voyager en sautant entre des emplacements voisins et en interagissant avec des photons proches.

Les interactions entre les photons ont affecté la soi-disant « phase ». L’étage suit la fluctuation de la fonction d’onde du photon. Lorsque les photons n’interagissent pas, leur accumulation de phase n’est pas intéressante. Comme un chœur bien répété, ils sont tous synchronisés les uns avec les autres. Dans ce cas, un photon qui était initialement à côté d’un autre photon peut s’éloigner de son voisin sans se désynchroniser.

Tout comme tout le monde dans un chœur contribue à une chanson, chaque chemin possible qu’un photon peut emprunter contribue à la fonction d’onde globale du photon. Un groupe de photons initialement rassemblés sur des sites adjacents va évoluer vers une superposition de tous les chemins possibles que chaque photon pourrait emprunter.

Lorsque les photons interagissent avec leurs voisins, ce n’est plus le cas. Si quelqu’un Photon Il s’éloigne de son voisin, le taux d’accumulation de phase change et il se désynchronise avec ses voisins. Tous les chemins le long desquels les photons se séparent se chevauchent, créant des interférences destructrices. Ce serait comme si chaque membre du chœur chantait à son propre rythme – la chanson s’efface d’elle-même et il devient impossible de la discerner à travers le bruit des chanteurs individuels.

De toutes les voies de configuration possibles, le seul scénario possible qui a survécu est une configuration dans laquelle tous les photons restent regroupés dans un état lié. C’est pourquoi l’interaction peut renforcer et conduire à la formation d’un état lié : en supprimant toutes les autres possibilités dans lesquelles les photons ne sont pas liés ensemble.

Pour prouver que les états liés se comportaient effectivement comme les particules, avec des quantités bien définies telles que l’énergie et l’impulsion, les chercheurs ont développé de nouvelles techniques pour mesurer comment l’énergie des particules changeait avec l’impulsion. En analysant comment les corrélations entre les photons varient avec le temps et l’espace, ils ont pu reconstruire une « relation de dispersion énergie-impulsion », confirmant la nature particulaire des états associés.

L’existence d’états liés en eux-mêmes n’avait rien de nouveau – dans un système appelé « régime intégrable », où la dynamique est beaucoup moins complexe, les états liés étaient déjà prédits et observés il y a dix ans.

Mais au-delà de l’intégration, le chaos règne. Avant cette expérience, on avait raisonnablement supposé que les états liés s’effondreraient dans le chaos. Pour tester cela, les chercheurs ont poussé l’intégration au-delà en modifiant la géométrie de la boucle simple en un réseau plus complexe en forme d’engrenage de qubits connectés. Ils ont été surpris de constater que les états liés continuaient le système chaotique.

L’équipe de Google Quantum AI ne sait toujours pas d’où ces états liés tirent leur résilience inattendue, mais cela pourrait avoir quelque chose à voir avec un phénomène appelé « préthermalisation », où des échelles d’énergie incompatibles dans un système peuvent empêcher le système d’atteindre rapidement l’équilibre thermique. Comme s’il en était autrement.

Les chercheurs espèrent que l’étude de ce système conduira à de nouvelles connaissances sur de nombreux corps Dynamique quantique et d’inspirer de nouvelles découvertes en physique fondamentale à l’aide de processeurs quantiques.