Mixed-state phases induced by power-law quantum channels

In der Quantenwelt gibt es Materie meist in zwei Geschmacksrichtungen: reine Zustände, die perfekt isoliert und vorhersagbar sind, und gemischte Zustände, die chaotisch, verrauscht und ständig mit ihrer Umgebung interagierend sind. Jahrzehntelang haben Physiker die verschiedenen Phasen reiner Materie kartiert und dabei festgestellt, dass selbst in einer chaotischen Umgebung bestimmte Muster von Ordnung entstehen und bestehen bleiben können. Doch wenn ein System für die Umgebung offen ist, ändern sich die Regeln. Eine neue Art von Ordnung wurde kürzlich vorgeschlagen, eine, die nur in diesen chaotischen, gemischten Zuständen existiert und keine Entsprechung in der sauberen, isolierten Welt hat. Dieses Phänomen beinhaltet eine spezifische Art von Symmetriebrechung, bei der ein System eine starke, starre Form der Ordnung verliert, aber eine schwächere, gemittelte Version davon beibehält. Während Wissenschaftler gesehen haben, dass dies in Systemen mit zwei oder mehr Dimensionen geschieht, galt die langjährige Überzeugung, dass in einer eindimensionalen Linie ein solcher Übergang niemals stattfinden könnte, wenn das Rauschen auf benachbarte Nachbarn beschränkt wäre. Die Vorstellung war, dass das Rauschen jegliche komplexe Ordnung einfach wegwischen würde, bevor sie sich etablieren kann.

Ein Forscherteam hat diese Einschränkung nun herausgefordert, indem es eine neue Art von Rauschen einführte, das das gesamte System erreicht. Anstatt nur zu seinen unmittelbaren Nachbarn zu flüstern, spricht das Rauschen in ihrem Modell mit jedem anderen Teil der Linie, wobei die Stärke dieses Gesprächs mit der Entfernung abnimmt. Durch die Anwendung dieses weitreichenden Rauschens auf eine spezifische Familie von Quantenzuständen entdeckten sie, dass die alten Regeln nicht mehr gelten. Sie fanden heraus, dass selbst in einer eindimensionalen Linie dieses Potenzgesetz-Rauschen einen dramatischen Umschlag von einem Zustand perfekter Symmetrie zu einem Zustand auslösen kann, in dem die starke Symmetrie zusammenbricht und nur die schwache Version zurückbleibt. Dieser Übergang findet bei einer spezifischen, messbaren Rauschstärke statt, was beweist, dass eindimensionale Systeme diesen exotischen Typus von gemischter Zustandsordnung beherbergen können, sofern das Rauschen vernetzt genug ist, um die Distanz zu überbrücken.

Die Forscher begannen ihre Untersuchung mit einer Familie von Quantenzuständen, die zwischen zwei Extremen stufenlos abgestimmt werden können: einem trivialen, uninteressanten Zustand und einem komplexeren Zustand, der als symmetrie-geschützte topologische Phase bekannt ist. In der reinen, rauschfreien Version dieser Zustände wird die komplexe Phase durch eine spezielle Symmetrie geschützt, die Informationen an den Kanten des Systems sicher hält. Um zu sehen, was passiert, wenn das System verrauscht wird, wandte das Team einen Quantenkanal an, der eine spezifische Art von Störung simuliert. Dieser Kanal bewirkt, dass Paare von Standorten in der Linie ihre Quantenkohärenz verlieren, jedoch mit einem Twist: Die Wahrscheinlichkeit dessen sinkt gemäß einem Potenzgesetz basierend auf der Distanz zwischen den Standorten. Wenn die Standorte nah beieinander liegen, ist die Störung wahrscheinlich; wenn sie weit entfernt sind, ist sie weniger wahrscheinlich, aber sie verschwindet nie vollständig.

Als sie diesen weitreichenden Kanal auf ihre Zustände anwandten, konstruierten sie eine detaillierte Karte der resultierenden Phasen. Sie fanden heraus, dass das System bei schwachem Rauschen in einem symmetrischen Zustand bleibt. Wenn jedoch die Rauschstärke zunimmt, überschreitet das System eine scharfe Grenze in eine neue Phase, in der die starke Symmetrie spontan gebrochen wird und nur die schwache Symmetrie intakt bleibt. Diesen Übergang, den sie starke-zu-schwache spontane Symmetriebrechung nennen, hielten sie zuvor in einer Dimension mit kurzreichweitigem Rauschen für unmöglich. Die Forscher bestätigten diesen Übergang, indem sie spezifische Größen maßen, die als Thermometer für die Ordnung des Systems fungieren. Sie fanden heraus, dass während die üblichen Maßstäbe der Ordnung verschwanden, ein anspruchsvolleres Maß, das das System in einem verdoppelten mathematischen Raum betrachtet, den Wandel deutlich signalisierte. Diese neue Phase ist nicht bloß eine unordentliche Version der alten; sie ist ein distinkter Materiezustand mit eigenen, einzigartigen Eigenschaften.

Die überraschendste Entdeckung war vielleicht die Natur der Phase, die existiert, kurz bevor die Symmetrie bricht. In der Region, in der das Rauschen zwar vorhanden, aber noch nicht stark genug ist, um die Symmetrie zu brechen, tritt das System in eine gemischte Version der topologischen Phase ein. In reinen Zuständen ist diese Phase berühmt dafür, Quanteninformationen an ihren Kanten zu speichern, geschützt durch die Symmetrie des Systems. In dieser neuen gemischten Phase fanden die Forscher heraus, dass das System immer noch zwei logische Qubits an Information hält, obwohl die traditionellen Anzeichen dieser Ordnung verschwunden sind. Die Standardmethode, diese Ordnung zu detektieren – die das Betrachten einer spezifischen Korrelationskette beinhaltet – versagt im gemischten Zustand vollständig, da das Rauschen das lineare Signal zerstört. Doch durch die Verwendung eines anderen Diagnosewerkzeugs, das die Kohärenz des Systems auf eine nicht-lineare Weise betrachtet, zeigten die Forscher, dass die Information dennoch vorhanden ist, geschützt durch eine subtile Sologie, die sowohl auf das System als auch auf sein mathematisches Spiegelbild wirkt. Diese Phase unterscheidet sich von zuvor untersuchten dekohärenten Zuständen dadurch, dass sie eine hohe Reinheit beibehält, was bedeutet, dass das System nicht so chaotisch ist, wie man erwarten würde.

Die Studie befasste sich auch mit einer großen praktischen Hürde bei der Beobachtung dieser Phänomene: der Schwierigkeit, gemischte Zustände auf echten Quantencomputern zu messen. Da diese Zustände inhärent verrauscht sind, erfordert die Messung von ihnen normalerweise eine enorme Anzahl von Stichproben, um ein klares Signal zu erhalten, was Experimente auf aktueller Hardware oft unmöglich macht. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch eine sorgfältige Wahl ihrer Ausgangszustände – insbesondere, indem sie diese so abstimmten, dass sie nahe einem speziellen Punkt liegen, an dem das System natürlich invariant gegenüber dem Rauschen ist – gemischte Zustände erzeugen konnten, die überraschend rein bleiben. Diese hohe Reinheit reduziert die Anzahl der benötigten Messungen zur Detektion des Phasenübergangs drastisch. Sie berechneten, dass für ein System von achtzehn Standorten die Untersuchung des Übergangs an diesem optimalen Punkt nur wenige hundert Messschüsse erfordern würde, während die Untersuchung an einem weniger optimalen Punkt zehntausende erfordern würde. Dies deutet darauf hin, dass das von ihnen beschriebene Phänomen nicht nur eine theoretische Kuriosität ist, sondern etwas, das auf handelsüblichen Quantengeräten realisiert und beobachtet werden kann.

Das Team stützt sich bei seiner Arbeit auf einen klugen mathematischen Trick, der das Quantenproblem auf ein klassisches statistisches Mechanikmodell abbildet, ein gut verstandenes Framework zur Untersuchung der Wechselwirkung von Teilchen. In diesem klassischen Bild übersetzt sich das Quantenrauschen in weitreichende Wechselwirkungen zwischen Spins, ähnlich wie Magneten sich über eine Distanz gegenseitig beeinflussen. Diese Abbildung ermöglichte es ihnen, leistungsstarke Computersimulationen einzusetzen, um das Verhalten des Systems über einen weiten Bereich von Parametern zu erforschen. Sie bestätigten, dass der Übergang in die symmetriebrochene Phase für eine breite Palette von Potenzgesetz-Exponenten auftritt, solange die Wechselwirkungen weitreichend genug sind. Sie zeigten auch, dass der Übergang verschwinden würde, wenn die Wechselwirkungen kurzreichweitig wären, was bestätigte, dass die weitreichende Natur des Rauschens die entscheidende Zutat ist, die diese neue Phase in einer Dimension ermöglicht.

Letztlich eröffnet diese Forschung ein neues Fenster zum Verhalten von Quantenmaterie in verrauschten Umgebungen. Sie demonstriert, dass die Beschränkungen eindimensionaler Systeme durch die Einführung weitreichender Verbindungen überwunden werden können, was zu einem reichen Phasendiagramm mit neuartigen Materiezuständen führt. Die Entdeckung einer gemischten topologischen Phase, die trotz Dekohärenz Quanteninformationen bewahrt, bietet eine neue Perspektive darauf, wie Quantendaten geschützt werden können. Darüber hinaus bietet die Identifizierung eines Parameterregimes, in dem diese Zustände eine hohe Reinheit beibehalten, einen klaren Weg für Experimentalisten, diese Ideen im Labor zu testen. Die Arbeit legt nahe, dass die Quantenwelt, selbst wenn sie chaotisch und eindimensional ist, noch mehr Überraschungen und robustere Formen der Ordnung bereithält, als man bisher angenommen hat – bereit, durch die richtige Art von Rauschen entschlossen zu werden.