Observation of disorder-free localization using a (2+1)D lattice gauge theory on a quantum processor

In der festen Welt alltäglicher Materialien fließen Elektrizität und Wärme normalerweise frei wie Wasser durch ein Rohr, bis etwas ihren Weg blockiert. Jahrzehntelang verstanden Physiker, dass, wenn ein Material perfekt sauber und gleichmäßig ist, sich Energie gleichmäßig ausbreitet, bis das System in einen ruhigen, berechenbaren Zustand übergeht. Wenn das Material jedoch unordentlich oder ungeordnet ist – voller zufälliger Verunreinigungen – kann die Energie jedoch stecken bleiben und an Ort und Stelle gefangen werden, als wäre das Rohr mit Trümmern verstopft. Dieses Phänomen, bekannt als Lokalisierung, ist eine bekannte Art, den Energiefluss zu stoppen. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass, wenn Teilchen in einem System miteinander interagieren, dieser Versteifungseffekt schließlich zusammenbrechen würde, was die Energie wieder fließen ließe, egal wie unordentlich das Material auch war. Jüngste Theorien deuteten jedoch darauf an, dass selbst in interagierenden Systemen Unordnung die Energie für unglaublich lange Zeiten gefangen halten kann, was einen Materiezustand schafft, der sich weigert, zur Ruhe zu kommen.

Ein Team von Forschern bei Google Quantum AI und ihren Kooperationspartnern hat nun eine überraschende Wendung dieser Idee beobachtet. Sie fanden heraus, dass Energie gefangen werden und sich nicht ausbreiten kann, selbst wenn das System perfekt sauber ist und keinerlei Unordnung aufweist. Diese Entdeckung, die in einer kürzlich veröffentlichten Studie publiziert wurde, stellt die Intuition infrage, dass Unordnung erforderlich ist, um den Energiefluss zu stoppen. Durch den Einsatz eines leistungsstarken Quantencomputers simulierte das Team ein spezifisches Arten von Gitter, in dem Teilchen und Kräfte auf eine hochstrukturierte Weise interagieren. Sie beobachteten, was geschah, wenn sie einen kleinen Energieschub in die Mitte dieses Gitters einführten. In einem normalen, sauberen System würde sich diese Energie nach außen ausbreiten und über das gesamte Gitter verteilen, bis sie gleichmäßig verteilt ist. Stattdessen fanden sie heraus, dass unter bestimmten Bedingungen die Energie genau dort stecken blieb, wo sie begonnen hatte, und sich weigerte, zu diffundieren.

Das Experiment fand auf einem supraleitenden Quantenprozessor statt, einer Maschine, die winzige Schaltkreise nutzt, um das Verhalten von Quantenteilchen nachzuahmen. Die Forscher bauten ein digitales Modell eines Gitters auf, das im Wesentlichen aus Punkten besteht, die durch Linien verbunden sind. Auf diesem Gitter platzierten sie zwei Arten von Komponenten: „Materie“-Qubits, die wie die Teilchen fungieren, welche die Energie tragen, und „Gauge“-Qubits, die wie die Kräfte wirken, welche sie verbinden. Das Team bereitete das System in einem Zustand vor, der vollkommen gleichmäßig und geordnet aussah, ohne zufällige Variationen oder Verunreinigungen. Sie erzeugten dann eine kleine Störung in der Mitte des Gitters, ähnlich wie das Werfen eines Kieselsteins in einen stillen Teich. In einem standardmäßigen, sauberen System würden die Wellen von diesem Kieselstein nach außen wandern und schließlich die gesamte Oberfläche überspülen.

Was die Forscher beobachteten, war anders. Wenn sie das System auf eine bestimmte Weise vorbereiteten, die eine Quantensuperposition beinhaltete – ein Zustand, in dem das System in vielen möglichen Konfigurationen gleichzeitig existiert –, breitete sich die Energiestörung nicht aus. Stattdessen blieb sie nahe dem Zentrum des Gitters lokalisiert. Die Energie blieb gefangen, und das System behielt eine Erinnerung daran, wo die Störung begann, selbst nach vielen Zyklen der Entwicklung. Dieses Verhalten, das die Autoren als „disorder-free localization“ (unordnungsfreie Lokalisierung) bezeichnen, trat sowohl in eindimensionalen Ringen als auch in zweidimensionalen Gittern auf. Der Schlüssel zu diesem Phänomen war nicht ein Mangel an Ordnung, sondern eine spezifische Art von Ordnung, die die Effekte von Unordnung nachahmt. Die internen Symmetrien des Systems schufen ein effektives Hintergrundfeld, das wie eine zufällige Landschaft wirkte und die Energie gefangen hielt, ohne dass tatsächlich Zufälligkeit vorhanden war.

Um zu verstehen, warum dies geschah, betrachteten die Forscher das System durch eine andere Linse. Sie erkannten, dass der saubere, gleichmäßige Zustand, den sie geschaffen hatten, tatsächlich eine Superposition vieler verschiedener möglicher „Unordnungs“-Konfigurationen war. In den meisten dieser verborgenen Konfigurationen sah das Hintergrundpotenzial unordentlich und chaotisch aus, was bekanntlich Energie einfängt. Da das Quantensystem all diese Möglichkeiten gleichzeitig explorierte, wurde die Energie in der Mehrheit dieser Fälle gefangen, was zu einem Gesamteffekt führte, bei dem die Energie sich nicht bewegen konnte. Dies unterscheidet sich von einem System, bei dem man einfach über viele verschiedene unordentliche Experimente mittelt; hier erzeugte das einzelne, saubere Experiment aufgrund der Art und Weise, wie die Quantenzustände kombiniert wurden, natürlich den Einfangungseffekt.

Das Team maß zudem, wie sich die internen Verbindungen des Systems im Laufe der Zeit veränderten. Sie fanden heraus, dass die „Entanglement Entropy“ (Verschränkungsentropie) des Systems – ein Maß dafür, wie stark die Teile des Systems miteinander verknüpft sind – in diesem unordnungsfreien, gefangenen Zustand viel schneller wuchs als in einem typischen ungeordneten System. Dies war ein entscheidender Befund, da er zeigte, dass der gefangene Zustand fundamental anders ist als die üblichen „Many-Body Localized“-Zustände (viele-Körper-lokalisierte Zustände), die Wissenschaftler seit Jahren untersuchen. In diesen traditionellen ungeordneten Systemen wachsen die Verbindungen zwischen den Teilen sehr langsam. In diesem neuen, unordnungsfreien Zustand wuchsen die Verbindungen schnell, was darauf hindeutet, dass es sich um eine einzigartige Art von Quantenverhalten handelt, das weder vollständig fließend noch im traditionellen Sinne vollständig festgefahren ist.

Die Forscher bestätigten diese Ergebnisse, indem sie dasselbe Experiment an einem zweidimensionalen Gitter mit 81 Qubits durchführten. Genau wie im eindimensionalen Ring blieb die Energiestörung lokalisiert, wenn das System in dem Superpositionszustand vorbereitet wurde, während sie sich in einem einzelnen, nicht-superponierten Zustand frei ausbreitete. Die Ergebnisse waren über beide Dimensionen hinweg konsistent, was darauf hindeutet, dass dieses Phänomen robust ist und nicht nur ein Zufall eines spezifischen Aufbaus. Das Team verglich ihre experimentellen Daten auch mit Computersimulationen und stellte fest, dass der reale Quantenprozessor in engem Einklang mit den theoretischen Vorhersagen arbeitete, selbst als das System größer und komplexer wurde.

Diese Arbeit tut mehr, als nur einen neuen Materiezustand zu beobachten; sie bietet eine neue Möglichkeit, Unordnung selbst zu untersuchen. Normalerweise müssen Wissenschaftler, um zu verstehen, wie sich ein unordentliches System verhält, Tausende von Simulationen mit verschiedenen zufälligen Anordnungen von Verunreinigungen durchführen und dann die Ergebnisse mitteln. Dies ist rechenintensiv und schwierig. Die Forscher zeigten, dass sie durch eine Quantensuperposition effektiv alle möglichen Unordnungskonfigurationen in einem einzigen Experiment sampeln konnten. Dieser Ansatz könnte die Untersuchung komplexer Materialien erheblich beschleunigen und es Wissenschaftlern ermöglichen, seltene Ereignisse und extreme Bedingungen zu erforschen, die derzeit außerhalb der Reichweite klassischer Computer liegen.

Die Studie hebt eine tiefe Verbindung zwischen den Symmetrien eines physikalischen Systems und der Art und Weise hervor, wie Energie durch es fließt. Sie zeigt, dass man keine unordentliche, ungeordnete Umgebung benötigt, um den Energiefluss zu stoppen; man benötigt lediglich die richtige Art von Quantenordnung. Diese Erkenntnis könnte Physikern helfen, neue Materialien oder Quantengeräte zu entwerfen, die Informationen vor dem Ausbreiten und Abfließen schützen können – eine kritische Voraussetzung für den Bau stabiler Quantencomputer. Indem sie zeigten, dass Lokalisierung ohne Unordnung stattfinden kann, haben die Forscher ein neues Kapitel in der Untersuchung der Entwicklung von Quantensystemen aufgeschlagen und bewiesen, dass die Abwesenheit von Chaos manchmal dieselben Effekte wie seine Anwesenheit erzeugen kann.