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

Nel mondo solido dei materiali quotidiani, l'elettricità e il calore solitamente fluiscono liberamente, come l'acqua attraverso un tubo, finché qualcosa non ne blocca il percorso. Per decenni, i fisici hanno compreso che se un materiale è perfettamente pulito e uniforme, l'energia si diffonde uniformemente finché il sistema non si assesta in uno stato calmo e prevedibile. Tuttavia, se il materiale è disordinato o irregolare — pieno di impurità casuali — l'energia può rimanere bloccata, intrappolata sul posto come se il tubo fosse ostruito da detriti. Questo fenomeno, noto come localizzazione, è un modo ben noto per fermare il flusso di energia. Per molto tempo, gli scienziati hanno creduto che se le particelle in un sistema interagissero tra loro, questo effetto di intrappolamento sarebbe inevitabilmente svanito, permettendo all'energia di fluire di nuovo indipendentemente da quanto il materiale fosse disordinato. Ma teorie recenti hanno suggerito che, anche in sistemi con interazioni, il disordine potrebbe trattenere l'energia per tempi incredibilmente lunghi, creando uno stato della materia che rifiuta di assestarsi.

Un team di ricercatori di Google Quantum AI e i loro collaboratori ha ora osservato una sorprendente variante di questa idea. Hanno scoperto che l'energia può rimanere intrappolata e non riuscire a diffondersi, anche quando il sistema è perfettamente pulito e privo di qualsiasi disordine. Questa scoperta, pubblicata in uno studio recente, sfida l'intuizione secondo cui la confusione sia necessaria per fermare il flusso di energia. Utilizzando un potente computer quantistico, il team ha simulato un tipo specifico di griglia dove particelle e forze interagiscono in modo altamente strutturato. Hanno osservato cosa accadeva quando introducevano una piccola scarica di energia al centro di questa griglia. In un sistema normale e pulito, quell'energia si propagherebbe verso l'esterno, diffondendosi in tutta la griglia fino a distribuirsi uniformemente. Invece, hanno scoperto che in certe condizioni, l'energia rimaneva bloccata proprio dove era iniziata, rifiutandosi di diffondersi.

L'esperimento si è svolto su un processore quantistico superconduttore, una macchina che utilizza circuiti minuscoli per mimare il comportamento delle particelle quantistiche. I ricercatori hanno costruito un modello digitale di un reticolo, che è essenzialmente una griglia di punti collegati da linee. Su questa griglia, hanno posizionato due tipi di componenti: qubit di "materia", che agiscono come le particelle che trasportano l'energia, e qubit di "gauge", che agiscono come le forze che le collegano. Il team ha preparato il sistema in uno stato che appariva perfettamente uniforme e ordinato, senza variazioni casuali o impurità. Hanno poi creato una piccola perturbazione nel mezzo della griglia, simile al lancio di un sasso in uno stagno calmo. In un sistema standard e pulito, le increspature causate da quel sasso viaggerebbero verso l'esterno, bagnando infine l'intera superficie.

Ciò che i ricercatori hanno osservato è stato diverso. Quando hanno preparato il sistema in un modo specifico che coinvolgeva una sovrapposizione quantistica — uno stato in cui il sistema esiste in molte configurazioni possibili contemporaneamente — la perturbazione energetica non si è diffusa. Inveve, è rimasta localizzata vicino al centro della griglia. L'energia è rimasta intrappolata e il sistema ha mantenuto la memoria di dove era iniziata la perturbazione, anche dopo molti cicli di evoluzione. Questo comportamento, che gli autori chiamano localizzazione priva di disordine, si è verificato sia in anelli monodimensionali che in griglie bidimensionali. La chiave di questo fenomeno non era la mancanza di ordine, ma piuttosto un tipo specifico di ordine che imita gli effetti del disordine. Le simmetrie interne del sistema hanno creato un background efficace che agiva come un paesaggio casuale, intrappolando l'energia senza che fosse presente un reale disordine.

Per capire perché ciò sia accaduto, i ricercatori hanno osservato il sistema attraverso una lente diversa. Si sono resi conto che lo stato pulito e uniforme che avevano creato era in realtà una sovrapposizione di molte diverse configurazioni di "disordine" possibili. In la maggior parte di queste configurazioni nascoste, il potenziale di fondo appariva disordinato e confuso, il che è noto per intrappolare l'energia. Poiché il sistema quantistico stava esplorando tutte queste possibilità simultaneamente, l'energia veniva intrappolata nella maggior parte di esse, portando a un effetto complessivo per cui l'energia non poteva muoversi. Questo è distinto da un sistema in cui si esegue semplicemente una media su molti diversi esperimenti disordinati; qui, il singolo esperimento pulito produceva naturalmente l'effetto di intrappolamento a causa di come gli stati quantistici venivano combinati.

Il team ha anche misurato come le connessioni interne del sistema cambiassero nel tempo. Hanno scoperto che l' "entropia di entanglement" del sistema, una misura di quanto le parti del sistema siano collegate tra loro, cresceva molto più velocemente in questo stato intrappolato privo di disordine rispetto a un tipico sistema disordinato. Questa è stata una scoperta cruciale perché ha dimostrato che lo stato intrappolato è fondamentalmente diverso dagli stati di "localizzazione a molti corpi" che gli scienziati studiano da anni. In quei sistemi disordinati tradizionali, le connessioni tra le parti crescono molto lentamente. In questo nuovo stato privo di disordine, le connessioni crescevano rapidamente, suggerendo un tipo unico di comportamento quantistico che non è né completamente fluido né completamente bloccato nel senso tradizionale.

I ricercatori hanno confermato queste scoperte eseguendo lo stesso esperimento su una griglia bidimensionale con 81 qubit. Proprio come nell'anello monodimensionale, la perturbazione energetica rimaneva localizzata quando il sistema veniva preparato nello stato di sovrapposizione, mentre si diffondeva liberamente quando preparato in uno stato singolo e non sovrapposto. I risultati sono stati coerenti in entrambe le dimensioni, suggerendo che questo fenomeno sia robusto e non solo un colpo di fortuna di una specifica configurazione. Il team ha anche confrontato i propri dati sperimentali con simulazioni al computer, scoprendo che il vero processore quantistico si comportava in stretta coerenza con le previsioni teoriche, anche mentre il sistema diventava più grande e complesso.

Questo lavoro non si limita a osservare un nuovo stato della materia; offre un nuovo modo per studiare il disordine stesso. Di solito, per capire come si comporta un sistema disordinato, gli scienziati devono eseguire migliaia di simulazioni con diversi arrangiamenti casuali di impurità e poi mediarne i risultati. Questo è computazionalmente costoso e difficile. I ricercatori hanno dimostrato che, utilizzando una sovrapposizione quantistica, potevano campionare efficacemente tutte le possibili configurazioni di disordine in un singolo esperimento. Questo approccio potrebbe accelerare significativamente lo studio di materiali complessi, permettendo agli scienziati di esplorare eventi rari e condizioni estreme che sono attualmente fuori dalla portata dei computer classici.

Lo studio evidenzia una profonda connessione tra le simmetrie di un sistema fisico e il modo in cui l'energia si muove attraverso di esso. Dimostra che non è necessario un ambiente disordinato e confuso per fermare il flusso di energia; basta il giusto tipo di ordine quantistico. Questa intuizione potrebbe aiutare i fisici a progettare nuovi materiali o dispositivi quantistici in grado di proteggere l'informazione dalla diffusione e dalla dispersione, un requisito critico per costruire computer quantistici stabili. Dimostrando che la localizzazione può avvenere senza disordine, i ricercatori hanno aperto un nuovo capitolo nello studio di come i sistemi quantistici evolvono, provando che l'assenza di caos può talvolta creare gli stessi effetti della sua presenza.