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

In de solide wereld van alledaagse materialen stromen elektriciteit en warmte meestal vrijelijk, als water door een pijp, totdat er iets hun pad blokkeert. Decennialang begrepen natuurkundigen dat als een materiaal perfect schoon en uniform is, energie zich gelijkmatig verspreidt totdat het systeem tot een rustige, voorspelbare staat komt. Echter, als het materiaal rommelig of ongeordend is—gevuld met willekeurige onzuiverheden—kan energie vast komen te zitten, gevangen op een plek alsof de pijp verstopt is met vuil. Dit fenomeen, bekend als lokalisatie, is een bekende manier om de energiestroom te stoppen. Lange tijd geloofden wetenschappers dat als deeltjes in een systeem met elkaar zouden interageren, dit opsluitingseffect uiteindelijk zou wegvallen, waardoor energie weer zou kunnen stromen ongeacht hoe rommelig het materiaal was. Maar recente theorieën suggereerden dat zelfs in interagerende systemen, wanorde energie voor ongelooflijk lange tijd gevangen kon houden, wat een staat van materie creëert die weigert tot rust te komen.

Een team van onderzoekers van Google Quantum AI en hun medewerkers heeft nu een verrassende draai aan dit idee waargenomen. Ze ontdekten dat energie gevangen kan raken en niet kan verspreiden, zelfs wanneer het systeem perfect schoon is en helemaal geen wanorde bevat. Deze ontdekking, gepubliceerd in een recente studie, daagt de intuïtie uit dat rommeligheid vereist is om de energiestroom te stoppen. Door een krachtige kwantumcomputer te gebruiken, simuleerde het team een specif으로 type rooster waar deeltjes en krachten op een hooggestructureerde manier met elkaar interageren. Ze keken wat er gebeurde toen ze een kleine energiepuls in het midden van dit rooster introduceerden. In een normaal, schoon systeem zou die energie naar buiten rimpelen, zich over het hele rooster verspreiden totdat het gelijkmatig verdeeld is. In plaats daarvan ontdekten ze dat de energie onder bepaalde omstandigheden precies daar bleef waar het begon, weigerend om te diffunderen.

Het experiment vond plaats op een supergeleidende kwantumprocessor, een machine die minuscule circuits gebruikt om het gedrag van kwantumdeeltjes na te bootsen. De onderzoekers bouwden een digitaal model van een rooster, wat in essentie een raster van punten is die verbonden zijn door lijnen. Op dit rooster plaatsten ze twee soorten componenten: "materie"-qubits, die fungeren als de deeltjes die energie dragen, en "gauge"-qubits, die fungen als de krachten die hen verbinden. Het team bereidde het systeem voor in een staat die er volkomen uniform en geordend uitzag, zonder willekeurige variaties of onzuiverheden. Vervolgens creëerden ze een kleine verstoring in het midden van het rooster, vergelijkbaar met het werpen van een steentje in een stille vijver. In een standaard, schoon systeem zouden de rimpelingen van dat steentje naar buiten reizen en uiteindelijk het hele oppervlak overspoelen.

Wat de onderzoekers observeerden was anders. Wanneer zij het systeem voorbereidden op een specifieke manier die een kwantumsuperpositie inhield—een staat waarin het systeem in vele mogelijke configuraties tegelijkertijd bestaat—verspreidde de energieverstoring zich niet. In plaats daarvan bleef het geconcentreerd nabij het centrum van het rooster. De energie bleef gevangen, en het systeem behield een geheugen van waar de verstoring begon, zelfs na vele cycli van evolutie. Dit gedrag, dat de auteurs "disorder-free localization" (wanordevrije lokalisatie) noemen, kwam voor in zowel eendimensionale ringen als tweedimensionale roosters. De sleutel tot dit fenomeen was niet een gebrek aan orde, maar eerder een specifieke soort orde die de effecten van wanorder nabootst. De interne symmetrieën van het systeem creëerden een effectieve achtergrond die fungeerde als een willekeurig landschap, waardoor de energie werd gevangen zonder dat er werkelijke willekeur aanwezig was.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, bekeken de onderzoekers het systeem door een andere lens. Ze realiseerden zich dat de schone, uniforme staat die zij creëerden, eigenlijk een superpositie was van vele verschillende mogelijke "wanorder"-configuraties. In de meeste van deze verborgen configuraties zag de achtergrondpotentiaal er rommelig en ongeordend uit, wat bekend staat om het vastzetten van energie. Omdat het kwantumsysteem al deze mogelijkheden simultaan verkende, raakte de energie gevangen in de meerderheid van deze configuraties, wat leidde tot een algemeen effect waarbij de energie niet kon bewegen. Dit is verschillend van een systeem waarbij men simpelweg gemiddelden neemt over veel verschillende rommelige experimenten; hier produceerde het enkele, schone experiment van nature het opsluitingseffect vanwege de manier waarop de kwantumtoestanden werden gecombineerd.

Het team mat ook hoe de interne verbindingen van het systeem in de loop van de tijd veranderden. Ze ontdekten dat de "entanglement entropy" (verstrengelingsentropie) van het systeem—een maatstaf voor de mate waarin de delen van het systeem met elkaar verbonden zijn—veel sneller groeide in deze wanordevrije gevangen staat dan in een typisch wanordelijk systeem. Dit was een cruciale bevinding, omdat het aantoonde dat de gevangen staat fundamenteel verschilt van de gebruikelijke "many-body localized" toestanden die wetenschappers al jaren bestuderen. In die traditionele wanordelijke systemen groeien de verbindingen tussen delen zeer langzaam. In deze nieuwe wanordevrije staat groeiden de verbindingen snel, wat wijst op een uniek type kwantumgedrag dat noch volledig stromend, noch volledig vastzittend is in de traditionele zin.

De onderzoekers bevestigden deze bevindingen door hetzelfde experiment uit te voeren op een tweedimensionaal rooster met 81 qubits. Net als in de eendimensionale ring bleef de energieverstoring gelokaliseerd wanneer het systeem in de superpositietoestand werd voorbereid, terwijl het zich vrij verspreidde wanneer het in een enkele, niet-gesuperponeerde toestand werd voorbereid. De resultaten waren consistent in beide dimensies, wat suggereert dat dit fenomeen robuust is en niet slechts een toevalstreffer van een specifieke opstelling. Het team vergeleek hun experimentele gegevens ook met computersimulaties en stelde vast dat de echte kwantumprocessor nauw overeenkwam met de theoretische voorspellingen, zelfs naarmate het systeem groter en complexer werd.

Dit werk doet meer dan alleen een nieuwe staat van materie observeren; het biedt een nieuwe manier om wanorder zelf te bestuderen. Normaal gesproken, om te begrijpen hoe een rommelig systeem zich gedraagt, moeten wetenschappers duizenden simulaties uitvoeren met verschillende willekeurige arrangementen van onzuiverheden en vervolgens de resultaten middelen. Dit is computationeel duur en moeilijk. De onderzoekers lieten zien dat zij, door een kwantumsuperpositie te gebruiken, effectief alle mogelijke wanorderconfiguraties in één enkel experiment konden bemonsteren. Deze aanpak kan de studie van complexe materialen aanzienlijk versnellen, waardoor wetenschappers zeldzame gebeurtenissen en extreme omstandigheden kunnen verkennen die momenteel buiten het bereik van klassieke computers liggen.

De studie benadrukt een diepe verbinding tussen de symmetrieën van een fysiek systeem en de manier waarop energie door dat systeem beweegt. Het demonstreert dat men geen rommelige, ongeordende omgeving nodig heeft om de energiestroom te stoppen; men heeft slechts de juiste soort kwantumorde nodig. Dit inzicht kan natuurkundigen helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen of kwantumapparaten die informatie kunnen beschermen tegen het verspreiden en weglekken, een cruciale vereiste voor het bouwen van stabiele kwantumcomputers. Door aan te tonen dat lokalisatie kan optreden zonder wanorder, hebben de onderzoekers een nieuw hoofdstuk geopend in de studie van hoe kwantumsystemen evolueren, waarmee zij bewezen hebben dat de afwezigheid van chaos soms dezelfde effecten kan creëren als de aanwezigheid ervan.