Quantum many-body mixed phase space revealed by hybrid feedback control

Stellen Sie sich das Universum als eine riesige, belebte Tanzfläche vor. Auf der einen Seite haben Sie Tänzer, die sich in perfekten, vorhersehbaren Kreisen bewegen, wie Planeten, die einen Sonnen umkreisen, oder ein Pendel, das hin und her schwingt. Das ist „Ordnung“. Auf der anderen Seite gibt es einen Moshpit, in dem alle gegeneinanderrempeln, sich zufällig bewegen und schließlich die gesamte Menge zu einer gleichmäßigen, chaotischen Suppe wird. Das ist „Chaos“. Lange Zeit dachten Wissenschaftler, dass man, wenn man genug Tänzer (Teilchen) hätte, die miteinander interagieren, die ganze Gruppe zwangsläufig in einen chaotischen Moshpit verwandeln würde, wobei sie jegliche Erinnerung an ihren Anfang verliert. Diese Idee, bekannt als Thermalisierung, legt nahe, dass komplexe Systeme schließlich ihre Vergangenheit vergessen und einfach nur heiß werden. Aber was wäre, wenn es eine geheime Ecke der Tanzfläche gäbe, in der einige Tänzer selbst inmitten des Chaos ihren Rhythmus beibehalten können? Das Finden dieser „Inseln der Ordnung“ innerhalb eines Meeres aus Chaos ist eine große Sache, denn es stellt unser Verständnis darüber infrage, wie das Universum funktioniert, und könnte uns helfen, bessere Quantencomputer zu bauen, die nicht durch Rauschen zerfallen.

In dieser Arbeit geht es um ein Team von Wissenschaftlern, das beschlossen hat, nach diesen verborgenen Inseln der Ordnung in einem Quantensystem zu suchen – einem System, in dem Teilchen sich sowohl wie winzige Bälle als auch wie Wellen verhalten. Sie haben sie nicht nur gesucht; sie haben einen speziellen „Hybrid-Feedback“-Roboter gebaut, um sie zu finden und festzuhalten. Denken Sie daran wie beim Versuch, einen Besen auf der Hand zu balancieren. Wenn man ihn einfach loslässt, fällt er (Chaos). Aber wenn man ständig zusieht und mit der Hand winzige, schnelle Anpassungen vornimmt, um ihn aufrecht zu halten, kann man ihn stabilisieren. Die Forscher nutzten einen supraleitenden Quantenprozessor (eine Art von Quantencomputer aus winzigen elektrischen Schaltkreisen), um ein komplexes System von 24 interagierenden Teilchen zu simulieren. Sie fanden heraus, dass die meisten Startpunkte zu Chaos führten, es aber spezifische Startpositionen gab, die zu einer langanhaltenden, rhythmischen Bewegung führten. Indem sie ihren Hybrid-Roboter verwendeten – der zwischen dem kurzen Moment des freien Ablaufs des Systems und dem Einsatz eines klassischen Computers wechselt, um das System wieder auf einen stabilen Pfad zu „stoßen“ – konnten sie diese stabilen Rhythmen entdecken und fixieren. Sie haben nicht nur eines gefunden; sie haben einen „gemischten Phasenraum“ kartiert, der zeigt, dass regelmäßige, vorhersehbare Bewegung und chaotische Bewegung direkt nebeneinander in einer Quantenwelt existieren können – ein Phänomen, das theoretisiert, aber in einem so komplexen System noch nie zuvor beobachtet worden war.

Der Tanz von Ordnung und Chaos

Um zu verstehen, was hier passiert, müssen wir uns ansehen, wie sich Dinge bewegen. In der klassischen Welt, wie etwa einem Sonnensystem, sind die Dinge meist vorhersehbar. Aber wenn man ein wenig Chaos hinzufügt, wie etwa einen dritten Planeten, der die Umlaufbahnen stört, erhält man einen „gemischten Phasenraum“. Stellen Sie sich eine Karte vor, auf der einige Bereiche ruhige Seen (reguläre Orbits) und andere reißende Stromschnellen (Chaos) sind. In der Quantenwelt sind die Dinge komplizierter. Normalerweise, wenn man viele interagierende Teilchen hat, verstricken sich alle in einem Durcheinander, das Verschränkung genannt wird, und das System vergisst seine Geschichte und verwandelt sich in eine chaotische Suppe. Dies wird als Thermalisierung bezeichnet. Wissenschaftler vermuteten jedoch, dass vielleicht, ganz vielleicht, einige Quantensysteme ihre eigene Version dieser ruhigen Seen besitzen könnten, in denen Teilchen in einem Muster tanzen können, ohne sich im Chaos zu verlieren.

Die große Frage war: Können wir diese ruhigen Seen in einem System mit vielen interagierenden Teilchen finden? Und wenn wir es tun, können wir sie dort halten?

Der Hybrid-Feedback-Roboter

Die Forscher entwicknten eine clevere Lösung unter Verwendung eines „hybriden“ Ansatzes. Sie nutzten einen Quantenprozessor (die Tanzfläche) und einen klassischen Computer (den Coach), die zusammenarbeiteten. So funktioniert ihre „Feedback-Schleife“:

1. Der Quantenschritt: Sie lassen das Quantensystem für eine sehr kurze Zeit (etwa 80 Nanosekunden) tanzen. Während dieser Zeit beginnen die Teilchen zu interagieren. Wenn sie sich in einer chaotischen Region befinden, werden sie unordentlich und verschlungen.
2. Die Messung: Sie stoppen den Tanz und machen eine Momentaufnahme. Sie betrachten nicht das ganze chaotische Bild; stattdessen prüfen sie einen spezifischen „Ungleichgewichts“-Wert. Denken Sie daran wie bei der Prüfung, ob die Tänzer auf der linken Seite der Tanzfläche immer noch weitgehend verschieden von den Tänzern auf der rechten Seite sind. Wenn der Wert hoch ist, ist das System noch organisiert. Wenn er niedrig ist, wird es chaotisch.
3. Der klassische Stoß: Der klassische Computer betrachtet diesen Wert und berechnet, wie die Startposition der Tänze angepasst werden muss, um den Wert beim nächsten Mal höher zu machen. Es ist wie der Coach, der sagt: „Du hast etwas zu weit links angefangen; lass uns dich ein Stück nach rechts bewegen.“
4. Wiederholung: Sie setzen das System mit der neuen, angepassten Startposition zurück und wiederholen den Vorgang immer wieder.

Durch die Wiederholung dieses Zyklus „filtert“ das System die chaotischen Pfade natürlich heraus. Die chaotischen Pfade werden weggestoßen, weil sie schnell ihr Gleichgewicht verlieren. Die regulären Pfade hingegen sind stabil. Die Feedback-Schleife drückt das System immer wieder zurück auf diese stabilen Pfade, bis es sich auf einen perfekten, sich wiederholenden Rhythmus einschaltet.

Was sie fanden

Mit dieser Methode auf einem 24-Qubit-Prozessor (was wie ein winziger Quantencomputer mit 24 Schaltern ist) entdeckte das Team etwas Erstaunliches. Sie fanden heraus, dass das Quantensystem nicht nur ein chaotisches Durcheinander war. Es besaß einen „gemischten Phasenraum“.

• Die Karte: Sie erstellten eine Karte (einen sogenannten Poincaré-Schnitt), die zeigte, wo das Chaos und wo die Ordnung war. Es sah aus wie ein Meer aus verstreuten Punkten (Chaos) mit deutlichen Inseln aus glatten Kurven (Ordnung).
• Die Entdeckung: Sie fanden heraus, dass sie das System in einen perfekten, sich wiederholenden Loop bringen konnten, wenn sie am richtigen Ort starteten. Noch besser: Ihr Feedback-Roboter konnte diese Loops sogar finden, wenn sie mitten im chaotischen Meer starteten. Der Roboter würde das System so lange stoßen, bis es die nächstgelegene „Insel der Ordnung“ fand, und es dann dort festhielt.
• Die Stabilität: Sie testeten dies, indem sie die Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Teilchen veränderten. Sie fanden heraus, dass die Inseln der Ordnung nicht verschwanden, sondern sich lediglich langsam veränderten, wie eine Wolke, die im Wind driftet. Dies bewies, dass die Ordnung kein Zufall war, sondern ein robuster Bestandteil des Systems.

Warum das wichtig ist

Dies ist nicht nur ein cooler Trick mit Quantencomputern. Es zeigt uns, dass es selbst in komplexen, interagierenden Quantensystemen Taschen der Stabilität geben kann, die dem üblichen Trend zur Chaosbildung widerstehen. Dies ist ein großer Schritt nach vorne, da es darauf hindeutet, dass wir Quantensysteme besser kontrollieren können, als wir dachten. Wenn wir diese „regulären Trajektorien“ finden und stabilisieren können, können wir möglicherweise Quanteninformationen vor dem Rauschen schützen, das sie normalerweise zerstört.

Die Forscher haben gezeigt, dass dieser „gemischte Phasenraum“ nicht nur eine theoretische Idee ist, sondern real ist und beobachtet sowie gesteuert werden kann. Sie haben ihn nicht nur simuliert; sie haben ihn gebaut, gemessen und auf einem echten Quantenprozessor stabilisiert. Obwohl das System, das sie untersucht haben, spezifisch ist, könnte die Methode, die sie verwendet haben – eine hybride Schleife aus Quantenentwicklung und klassischer Optimierung – ein mächtiges Werkzeug zur Erforschung anderer komplexer Quantensysteme sein. Es ist wie das Finden einer geheimen Tür in einem chaotischen Labyrinth, die zu einem friedlichen Garten führt, und nun haben wir eine Karte und einen Schlüssel, um sie immer und immer wieder zu finden.