Dynamical quantum simulations as laboratories for quantum information

Quantencomputer werden oft als Maschinen imaginiert, die eines Tages Probleme lösen werden, die für jeden klassischen Supercomputer zu komplex sind, aber ihr unmittelbarster und natürlichster Nutzen besteht darin, als Spiegel der Quantenwelt selbst zu fungieren. In der physischen Welt verhalten sich Teilchen wie Elektronen und Atome nicht wie winzige Billardkugeln; sie existieren in einem Zustand fluider Möglichkeiten, in dem ihre Eigenschaften über den Raum hinweg auf eine Weise miteinander verknüpft sind, die der alltäglichen Intuition trotzt. Wissenschaftler nutzen Quantensimulatoren – spezialisierte Quantencomputer, die darauf programmiert sind, bestimmte Materialien nachzubilden – um zu beobachten, wie diese Teilchen interagieren und sich im Laufe der Zeit entwickeln. Traditionell haben Forscher diese Maschinen genutzt, um ein einzelnes, spezifisches Ergebnis zu messen, etwa wie ein Material auf einen winzigen magnetischen Anstoß reagiert. Diese Reaktion verrät ihnen etwas über die Eigenschaften des Materials, wie etwa darüber, wie es Wärme oder Elektrizität leitet. Der Prozess, diese einzelne Zahl zu extrahieren, erfordert jedoch, dass der Computer eine komplexe, sich entwickelnde Wolke aus Quantenzuständen erzeugt. Lange Zeit herrschte die Auffassung vor, dass die restliche Quantenwolke, sobald die finale Zahl extrahiert wurde, nur ein Mittel zum Zweck war – ein temporäres Nebenprodukt, das verworfen werden sollte.

Eine neue Studie stellt diese Sichtweise in Frage und legt nahe, dass die während dieser Simulationen erzeugten Quantenzustände nicht nur Trittsteine, sondern eigenständige, reichhaltige Laboratorien sind. Die Forscher, die mit zwei verschiedenen Modellen magnetischer Ketten aus winzigen, rotierenden Teilchen arbeiteten, stellten eine einfache Frage: Wenn der Computer bereits diese komplizierten Zustände vorbereitet, was können wir sonst noch aus ihnen lernen? Sie behandelten die Simulation nicht als Werkzeug, um eine einzige Zahl zu finden, sondern als eine Möglichkeit, ein winziges Stück Information – ein einfaches „Ja“ oder „Nein“-Signal – in das Quantensystem zu kodieren und dann zu beobachten, wie sich dieses Signal verbreitet, verbirgt und verändert, während es sich durch das Material bewegt. Durch dies entdeckten sie, dass die Art und Weise, wie Information in diesen Quantensystemen gespeichert wird, weita viel subtiler und vielfältiger ist als bisher angenommen, was eine überraschende Lücke zwischen der Leichtigkeit, mit der ein Zustand mathematisch beschrieben werden kann, und der Leichtigkeit, mit der er durch eine einfache Messung ausgelesen werden kann, offenbart.

Die Forscher begannen mit dem Aufbau eines Standardexperiments an einer Kette von fünfzig Spins, was das Quanten-Äquivalent zu winzigen Magneten ist. Sie bereiteten die Kette in ihrem niedrigsten Energiezustand vor und applizierten dann einen winzigen, lokalisierten Impuls auf einen der zentralen Spins. Dieser Impuls konnte in eine von zwei entgegengesetzten Richtungen appliziert werden, wodurch effektiv ein einzelnes klassisches Bit an Information, wie eine Null oder eine Eins, in das Quantensystem kodiert wurde. Nach dem Impuls wurde das System der natürlichen Entwicklung überlassen, sodass die Störung wellenartig nach außen durch die Kette laufen konnte. In einem traditionellen Experiment hätten Wissenschaftler einen spezifischen Spin zu einem späteren Zeitpunkt gemessen, um zu sehen, wie das System auf diesen anfänglichen Anstoß reagiert. In dieser Studie jedoch betrachteten die Forscher die gesamte Familie der Zustände, die während dieser Entwicklung entstanden. Sie behandelten die zwei möglichen Ausgänge des Impulses als zwei verschiedene Versionen derselben Geschichte und fragten, wie viel dieser Geschichte ein Beobachter, der auf verschiedene Teile der Kette blickt, wiederherstellen könnte.

Sie fanden heraus, dass die Information über den anfänglichen Impuls nicht an Ort und Stelle blieb; sie breitete sich aus, jedoch nicht auf eine einfache, uniforme Weise. Wenn ein Beobachter nur einen einzelnen Spin betrachtete, war das Signal oft schwach und oszillierte, wobei es manchmal so schwach wurde, dass es fast unmöglich war zu unterscheiden, aus welcher Richtung der Impuls gekommen war. Wenn der Beobachter jedoch seinen Blick auf benachbarte Spins ausweitete, änderte sich das Bild dramatisch. Eine größere Gruppe von Spins konnte die Information viel länger und deutlicher festhalten als ein einzelner Spin. Dies deutet darauf hin, dass das „Gedächtnis“ des anfänglichen Impulses nicht an einem spezifischen Ort gespeichert ist, sondern über die Korrelationen zwischen vielen Teilchen verteilt ist. Die Information wird zu einer kollektiven Eigenschaft der Gruppe, verborgen in der Art und Weise, wie die Spins zueinander in Beziehung stehen, statt im Zustand eines einzelnen Spins.

Eine der bemerkenswertesten Entdeckungen war eine klare Trennung zwischen der Einfachheit, mit der ein Quantenzustand beschrieben werden kann, und der Einfachheit, mit der er ausgelesen werden kann. Die Forscher verglichen zwei Typen magnetischer Ketten. Im ersten Typ war die mathematische Beschreibung der Quantenzustände bemerkenswert einfach; der gesamte Zustand konnte vollständig rekonstruiert werden, indem man lediglich wusste, wie Paare von Teilchen miteinander korreliert waren. Im zweiten Typ waren die Wechselwirkungen komplexer, und diese einfache Beschreibung vermochte es nicht, das vollständige Bild zu erfassen. Intuitiv würde man erwarten, dass das einfachere System auch leichter auszulesen wäre. Doch das Gegenteil war der Fall. Als die Forscher versuchten, die ursprüngliche Information mittels einfacher, direkter Messungen der Spins zurückzugewinnen, stellten sie fest, dass das komplexere System tatsächlich einen größeren Anteil der verborgenen Information lieferte. Das einfachere System, trotz seiner ordentlichen mathematischen Beschreibung, war überraschend schwer zu untersuchen. Dieser Befund impliziert, dass ein System, das auf dem Papier einfach aussieht, physisch schwerer zugänglich sein kann als ein System, das chaotisch und kompliziert wirkt.

Die Studie untersuchte auch, wie diese Information zwischen verschiedenen Teilen der Kette geteilt wird. Sie betrachteten, ob die Information unabhängig von separaten Gruppen von Spins gehalten wurde oder ob die Gruppen gemeinsam beobachtet werden mussten, um sie vollständig zu verstehen. Sie fanden heraus, dass im einfacheren Modell die Information oft auf eine Weise geteilt wurde, die es erforderte, ferne Teile der Kette gleichzeitig zu betrachten, um sie begreifbar zu machen. Die beiden Seiten der Kette trugen Informationen, die in Kombination nützlicher waren als einzeln betrachtet. Im komplexeren Modell war die Information gleichmäßiger verteilt, wobei jede Seite für sich genommen einen größeren Anteil der Geschichte hielt. Dieser Unterschied verdeutlicht, dass die Art und Weise, wie Quanteninformation kodiert wird, tief von den spezifischen Regeln abhängt, die die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen bestimmen.

Über das bloße Verfolgen eines einfachen Signals hinaus zeigten die Forscher, dass dieselben Zustände auch dazu verwendet werden können, tiefere Fragen über Quantenkommunikation und Verschränkung zu beantworten. Sie demonstrierten, dass die Menge an Information, die während der Simulation an die Umgebung verloren geht, direkt die Fähigkeit einschränkt, eine spezielle Art der Quantenverbindung – bekannt als Bell-Zustand – wiederherzustellen, welche eine Ressource für die Quantenkommunikation darstellt. Je mehr die Umgebung über den applizierten Impuls „lernte“, desto schwieriger wurde es, die delikate Quantenverbindung aufrechterhalten zu können. Darüber hinaus untersuchten sie die Verschränkung innerhalb der Kette. Sie fanden heraus, dass die Spins in dem beobachteten Bereich mit zunehmender Ausbreitung der Störung stärker mit dem Rest der Kette verschränkt wurden, während die Verschränkung zwischen den Spins innerhalb dieses Bereichs tatsächlich abnahm. Das System reorganisierte effektiv seine internen Verbindungen, indem es lokale Bindungen gegen eine stärkere Verbindung zur Außenwelt eintauschte.

Letztendlich definiert diese Arbeit die Art und Weise neu, wie wir Quantensimulationen betrachten sollten. Anstatt sie lediglich als Maschinen zu sehen, die eine einzige Zahl berechnen, zeigen die Forscher, dass sie mächtige Werkzeuge zur Erforschung der fundamentalen Struktur der Quanteninformation sind. Die Zustände, die sie erzeugen, sind nicht bloß temporäre Gefäße für eine finale Antwort; sie sind komplexe, sich entwickelnde Aufzeichnungen, die eine Fülle von Daten darüber enthalten, wie Information propagiert, wie sie kodiert und wie sie wiederhergestellt werden kann. Indem sie diese Simulationen als Laboratorien für Quanteninformation behandeln, können Wissenschaftler nun ein viel breiteres Spektrum an Fragen zu den erzeugten Vielteilchenzuständen stellen und dadurch neue Erkenntnisse über die Natur der Quantenmaterie gewinnen, die zuvor hinter der Suche nach einer einzelnen Antwortfunktion verborgen lagen.