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

Het Grote Kwantumgeheugenspel

Stel je een drukke kamer voor waar iedereen aan het kletsen is. Als je een geheim in het oor van de persoon naast je fluistert, verspreidt dat geheim zich razendsnel. Binnen enkele ogenblikken kent de hele kamer het verhaal, en niemand kan zich meer herinneren wie het begon of hoe de oorspronkelijke fluistering klonk. In de wereld van de kwantumfysica wordt dit "thermalisatie" genoemd. Dit is de regel die geïsoleerde kwantumsystemen volgen: ze versnipperen hun informatie totdat ze hun verleden vergeten en een chaotische, uniforme staat bereiken. Dit wordt meestal uitgelegd door een regelboekje genaamd de Eigenstate Thermalization Hypothesis (ETH), die suggereert dat lokale delen van een systeem uiteindelijk fungeren als hun eigen kleine warmtebaden, waardoor elke herinnering aan hoe ze begonnen wordt uitgewist.

Maar wat als de kamer zo ontworpen was dat geheimen niet konden worden verspreid? Wat als de muren gemaakt waren van een speciaal materiaal dat informatie op zijn plaats vasthield? Dit is het fenomeen "Many-Body Localization" (MBL). In plaats van dat de hele kamer het geheim leert, houdt de persoon die het hoorde het voor altijd vast, en neemt de chaos nooit de overhand. Wetenschappers zijn hier enorm geïnteresseerd in, omdat als we kwantumcomputers kunnen bouwen die in deze "gelokaliseerde" staat blijven, ze delicate informatie kunnen vasthouden zonder dat deze wordt versnipperd door ruis of chaos. Meestal bestuderen onderzoekers dit door het systeem te schudden met volledig willekeurige, onvoorspelbare ruis. Maar in de echte wereld is niets perfect willekeurig; dingen zijn vaak verbonden, of "gecorreleerd". Dit artikel stelt een grote vraag: Als de ruis gecorreleerd is — zoals een patroon in plaats van pure chaos — houdt het kwantumgeheugen dan nog stand, of geeft het systeem het uiteindelijk toch toe en vergeet het alles?

De Ontdekking van het Papier: Gecorreleerde Chaos Breekt het Geheugen Niet

In deze studie besloten de auteurs, Thiago R. Girão Souza en zijn team, dit idee te testen met behulp van een zeer specifiek type kwantumhardware: supergeleidende circuits gemaakt van "transmon qubits". Zie deze qubits als kleine, kunstmatige atomen op een chip die afgestemd kunnen worden om te werken als een keten van interagerende magneten. De onderzoekers wilden zien wat er gebeurt wanneer deze qubits worden blootgesteld aan "gecorreleerde wanorde". In gewone mensentaal betekent dit dat de "ruis" of willekeur die de qubits beïftet niet zomaar een verzameling ongerelateerde statische elektriciteit is; het is een patroon waarbij de verstoring op één qubit verbonden is met de verstoring op zijn buren, vergelijkbaar met hoe een rimpeling in een vijver het water in een verbonden gebied beïnvloedt.

Het team liet eerst zien hoe ze dit specifieke type gecorreleerde ruis direct in de hardware konden bouwen. Door de fysieke onderdelen van het circuit aan te passen — zoals de grootte van de condensatoren en de magnetische velden die aan elk qubit worden toegepast — konden ze een situatie creëren waarin de willekeur van nature gecorreleerd werd. Ze simuleerden vervolgens het gedrag van deze qubit-ketens om te zien of het "geheugen" van het systeem dit gecorreleerde chaos zou overleven.

Hun belangrijkste bevinding is verrassend geruststellend voor iedereen die probeert kwantumcomputers te bouwen. Ze ontdekten dat de "Many-Body Localization"-fase ongelooflijk robuust is. Zelfs wanneer de wanorder gecorreleerd is en de qubits op complexe, niet-lokale manieren interageren, slaagt het systeem er nog steeds in om zijn informatie vast te houden. Het kwantumgeheugen breekt niet alleen omdat de ruis een patroon heeft. De onderzoekers ontdekten dat het overgangspunt — het moment waarop het systeem overschakelt van alles onthouden naar alles vergeten — bijna exact hetzelfde blijft als bij puur willekeurige wanorder.

Om dit te bewijzen, gebruikten ze twee verschillende "detectietools". De eerste tool keek naar "verstrengeling" (entanglement), wat een chique manier is om te meten hoeveel de qubits informatie met elkaar delen. In een chaotisch systeem verspreidt dit delen zich als een vloedgolf (volume-law), maar in een gelokaliseerd systeem blijft het beperkt (area-law). Ze ontdekten dat het systeem, zelfs met gecorreleerde ruis, nog steeds de tekenen vertoonde van gelokaliseerd te zijn. De tweede tool was een "geheugenparameter". Ze startten het systeem met een specifiek patroon (zoals de eerste helft van de qubits "aan" en de tweede helft "uit") en keken of dit patroon in de loop van de tijd zou overleven. In de gelokaliseerde fase bleef het patroon intact, als een bevroren snapshot. In de chaotische fase smolt het patroon weg tot een uniforme waas.

De simulaties, die draaiden op systemen met tot 16 qubits, lieten zien dat het "geheugen" sterk standhield tegen de gecorreleerde wanorder. Het kritieke punt waar het systeem omslaat van onthouden naar vergeten vond plaats bij een wanordestrekte van ongeveer $\Delta\phi \approx 2.17$ wanneer er gekeken werd naar het midden van het energiespectrum, en rond $\Delta\phi \approx 1.82$ bij het kijken naar de langetermijngeheugendynamiek. Deze getallen suggereren dat het "gecorreleerde" karakter van de ruis het systeem niet fragieler maakt; sterker nog, de gelokaliseerde fase is net zo stabiel als wanneer de ruis volledig willekeurig zou zijn.

Dit is een grote zaak, want het betekent dat de onvermijdelijke imperfecties en correlaties in echte kwanthardware misschien niet de vijanden zijn die we dachten dat ze waren. Het artikel suggereert dat we ons geen zorgen hoeven te maken dat deze complexe, verbonden patronen van wanorder ons vermogen om kwantuminformatie veilig te houden zullen ruïneren. In plaats daarvan lijken de transmon-platforms van nature uitgerust om dit soort "rommelige" realiteit aan te kunnen, waarbij ze het kwantumgeheugen levend houden, zelfs wanneer de wereld om hen heen gecorreleerd en complex is. De auteurs concluderen dat deze robuustheid een solide kader biedt voor het ontwerpen van betere kwantumprocessors, waarbij ze laten zien dat we deze apparaten kunnen afstemmen om in de "herinnerende" zone te blijven, zelfs met de rommelige, gecorreleerde ruis die bij het vak hoort.