Many-Body Localization Induced by Correlated Disorder in Interacting Superconducting Qubits

Das große Quanten-Gedächtnisspiel

Stellen Sie sich einen überfüllten Raum vor, in dem alle miteinander plaudern. Wenn Sie der Person neben Ihnen ein Geheimnis zuflüstern, verbreitet sich dieses Geheimnis schnell. Innerhalb von Augenblicken kennt der ganze Raum die Geschichte, und niemand kann sich mehr erinnern, wer damit begonnen hat oder wie das ursprüngliche Flüstern klang. In der Welt der Quantenphysik wird dies als „Thermalisierung“ bezeichnet. Es ist die Regel, der isolierte Quantensysteme folgen: Sie vermischen ihre Informationen so lange, bis sie ihre Vergangenheit vergessen und in einen chaotischen, gleichmäßigen Zustand übergehen. Dies wird meist durch ein Regelwerk erklärt, das die „Eigenstate Thermalization Hypothesis“ (ETH) genannt wird. Diese besagt, dass lokale Teile eines Systems schließlich wie ihre eigenen winzigen Wärmebäder agieren und jede Erinnerung daran, wie sie begonnen haben, auslöschen.

Aber was wäre, wenn der Raum so konstruiert wäre, dass sich Geheimnisse nicht verbreiten könnten? Was wäre, wenn die Wände aus einem speziellen Material bestünden, das Informationen an ihrem Platz festhält? Dies ist das Phänomen der „Many-Body Localization“ (MBL) – Vielteilige Lokalisierung. Anstatt dass der ganze Raum das Geheimnis erfährt, behält die Person, die es gehört hat, es für immer, und das Chaos übernimmt niemals das Kommando. Wissenschaftler sind extrem daran interessiert, weil wir, wenn wir Quantencomputer bauen können, die in diesem „lokalisierten“ Zustand bleiben, in der Lage sein könnten, empfindliche Informationen zu halten, ohne dass diese durch Rauschen oder Chaos vermiskt werden. Normalerweise untersuchen Forscher dies, indem sie das System mit völlig zufälligem, unvorhersehbarem Rauschen „schütteln“. Aber in der realen Welt ist nichts perfekt zufällig; Dinge sind oft miteinander verbunden oder „korreliert“. Diese Arbeit stellt eine große Frage: Wenn das Rauschen korreliert ist – also eher einem Muster als reinem Chaos entspricht – hält das Quantengedächtnis dann noch stand, oder gibt das System schließlich nach und vergisst alles?

Die Entdeckung des Papers: Korreliertes Chaos bricht das Gedächtnis nicht

In dieser Studie beschlossen die Autoren, Thiago R. Girão Souza und sein Team, diese Idee mit einer sehr spezifischen Art von Quantenhardware zu testen: supraleitenden Schaltkreisen aus „Transmon-Qubits“. Betrachten Sie diese Qubits als winzige, künstliche Atome auf einem Chip, die so abgestimmt werden können, dass sie wie eine Kette interagierender Magnete wirken. Die Forscher wollten sehen, was passiert, wenn diese Qubits einem „korrelierten Disorder“ (korrelierten Unordnung) ausgesetzt sind. Auf Deutsch bedeutet das: Das „Rauschen“ oder die Zufälligkeit, die die Qubits beeinflusst, ist nicht nur ein Haufen unzusammenhängender statischer Signale; es ist ein Muster, bei dem die Störung eines Qubits mit der Störung seiner Nachbarn verknüpft ist, ganz ähnlich wie eine Welle in einem Teich das Wasser in einem verbundenen Bereich beeinflusst.

Das Team zeigte zuerst, wie man diese spezifische Art von korreliertem Rauschen direkt in die Hardware einbaut. Durch die Anpassung der physischen Teile des Schaltkreises – wie der Größe der Kondensatoren und der auf jedes Qubit angewendeten Magnetfelder – konnten sie eine Situation konstruieren, in der die Unordnung von Natur aus korreliert wurde. Sie simulierten anschließend das Verhalten dieser Qubit-Ketten, um zu sehen, ob das „Gedächtnis“ des Systems diesem korrelierten Chaos standhalten würde.

Ihr Hauptergebnis ist überraschend beruhigend für jeden, der versucht, Quantencomputer zu bauen. Sie entdeckten, dass die Phase der „Many-Body Localization“ unglaublich robust ist. Selbst wenn die Unordnung korreliert ist und die Qubits auf komplexe, nicht-lokale Weise interagieren, schafft es das System dennoch, seine Informationen einzuschließen. Das Quantengedächtnis bricht nicht einfach deshalb zusammen, weil das Rauschen ein Muster hat. Die Forscher fanden heraus, dass der Übergangspunkt – der Moment, in dem das System vom Erinnern zum Vergessen wechselt – fast exakt derselbe ist wie bei rein zufälliger Unordnung.

Um dies zu beweisen, nutzten sie zwei verschiedene „Detektiv-Werkzeuge“. Das erste Werkzeug untersuchte die „Verschränkung“ (Entanglement), eine schicke Art zu messen, wie viel Information die Qubits untereinander teilen. In einem chaotischen System breitet sich dieses Teilen wie eine Flut aus (Volume-Law), aber in einem lokalisierten System bleibt es begrenzt (Area-Law). Sie fanden heraus, dass das System selbst mit korreliertem Rauschen immer noch Anzeichen einer Lokalisierung zeigte. Das zweite Werkzeug war ein „Gedächtnisparameter“. Sie starteten das System mit einem spezifischen Muster (wie etwa der ersten Hälfte der Qubits auf „An“ und der zweiten Hälfte auf „Aus“) und beobachteten, ob dieses Muster über die Zeit überlebte. In der lokalisierten Phase blieb das Muster intakt, wie ein eingefrorener Schnappschuss. In der chaotischen Phase schmolz das Muster zu einem gleichmäßigen Nebel dahin.

Die Simulationen, die auf Systemen mit bis zu 16 Qubits liefen, zeigten, dass das „Gedächtnis“ der korrelierten Unordnung standhielt. Der kritische Punkt, an dem das System von Erinnern zu Vergessen umschlägt, lag bei einer Unordnungsstärke von etwa $\Delta\phi \approx 2,17$, wenn man die Mitte des Energiespektrums betrachtete, und bei etwa $\Delta\phi \approx 1,82$, wenn man die langfristige Gedächtnisdynamik betrachtete. Diese Zahlen legen nahe, dass die „korrelierte“ Natur des Rauschens das System nicht fragiler macht; tatsächlich ist die lokalisierte Phase genauso stabil, als wäre das Rauschen völlig zufällig.

Dies ist eine große Sache, denn es bedeutet, dass die unvermeidlichen Unvollkommenheiten und Korrelationen in realer Quantenhardware vielleicht nicht die Feinde sind, für die wir sie hielten. Das Paper legt nahe, dass wir uns nicht davor sorgen müssen, dass diese komplexen, verbundenen Muster der Unordnung unsere Fähigkeit, Quanteninformationen sicher zu verwahren, ruinieren werden. Stattdessen scheinen die Transmon-Plattformen von Natur aus darauf ausgelegt zu sein, mit dieser „unordentlichen“ Realität umzugehen und das Quantengedächtnis am Leben zu erhalten, selbst wenn die Welt um sie herum korreliert und komplex ist. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass diese Robustheit einen soliden Rahmen für das Design besserer Quantenprozessoren bietet und zeigt, dass wir diese Geräte so abstimmen können, dass sie in der „Erinnerungszone“ bleiben, selbst mit dem unordentlichen, korrelierten Rauschen, das zum Geschäft gehört.