Mixed-state phases induced by power-law quantum channels

In de kwantumwereld komt materie meestal in twee smaken voor: zuivere toestanden, die perfect geïsoleerd en voorspelbaar zijn, en gemengde toestanden, die rommelig, luidruchtig en constant in interactie staan met hun omgeving. Decennialang hebben natuurkundigen de onderscheidende fasen van zuivere materie in kaart gebracht, waarbij ze ontdekten dat zelfs in een chaotische omgeving bepaalde patronen van orde kunnen ontstaan en voortbestaan. Maar wanneer een systeem openstaat voor de omgeving, veranderen de regels. Een nieuw soort orde is onlangs voorgesteld, een die alleen bestaat in deze rommelige, gemengde toestanden en geen tegenhanger heeft in de schone, geïsoleerde wereld. Dit fenomeen houdt een specifiek type symmetriebreking in waarbij een systeem een sterke, rigide vorm van orde verliest maar een zwakkere, gemiddelde versie ervan behoudt. Hoewel wetenschappers hebben gezien dat dit gebeurt in systemen met twee of meer dimensies, hield een langdurige overtuiging in dat in een eendimensionale lijn een dergelijke transitie nooit zou kunnen plaatsvinden als de ruis beperkt zou zijn tot naburige locaties. Het idee was dat de ruis elke complexe orde simpelweg zou wegwassen voordat deze zich kon vestigen.

Een team van onderzoekers heeft deze beperking nu uitgedaagd door een nieuw soort ruis te introduceren die de hele het systeem bereikt. In plaats van alleen tegen zijn directe buren te fluisteren, praat de ruis in hun model met elk ander deel van de lijn, hoewel de kracht van dat gesprek afneemt naarmate de afstand groter wordt. Door deze lang reikende ruis toe te passen op een specifieke familie van kwantumtoestanden, ontdekten zij dat de oude regels niet langer van toepassing zijn. Ze vonden dat zelfs in een eendimensionale lijn, deze machtswet-ruis een dramatische verschuiving kan veroorzaken van een staat van perfecte symmetrie naar een staat waar de sterke symmetrie afbreekt, waardoor alleen de zwakke versie achterblijft. Deze transitie vindt plaats bij een specifieke, meetbare sterkte van de ruis, wat bewijst dat eendimensionale systemen inderdaad deze exotische vorm van gemengde-toestandorde kunnen huisvesten, mits de ruis verbonden genoeg is om de afstand te overbruggen.

De onderzoekers begonnen hun onderzoek met een familie van kwantumtoestanden die vloeiend afgesteld kunnen worden tussen twee extremen: een triviale, oninteressante staat en een complexere staat die bekend staat als een symmetrie-beschermde topologische fase. In de zuivere, ruisvrije versie van deze toestanden wordt de complexe fase beschermd door een speciale symmetrie die informatie veilig houdt aan de randen van het systeem. Om te zien wat er gebeurt wanneer het systeem rustig wordt, paste het team een kwantumkanaal toe dat een specifief type verstoring simuleert. Dit kanaal zorgt ervoor dat paren van locaties in de lijn hun kwantumcoherentie verliezen, maar met een twist: de waarschijnlijkheid dat dit gebeurt, neemt af volgens een machtswet gebaseerd op de afstand tussen de locaties. Als de locaties dicht bij elkaar liggen, is de verstoring waarschijnlijk; als ze ver uit elkaar liggen, is de verstoring minder waarschijnlijk, maar het verdwijnt nooit volledig.

Toen ze dit lang reikende kanaal op hun toestanden toepasten, construeerden ze een gedetailleerde kaart van de resulterende fasen. Ze ontdekten dat bij zwakke ruis het systeem in een symmetrische staat blijft. Echter, naarmate de sterkte van de ruis toeneemt, kruist het systeem een scherpe grens naar een nieuwe fase waarin de sterke symmetrie spontaan wordt verbroken, waardoor alleen de zwakke symmetrie intact blijft. Deze transitie, die zij sterke-naar-zwakke spontane symmetriebreking noemen, werd voorheen als onmogelijk beschouwd in één dimensie met kort reikende ruis. De onderzoekers bevestigden deze transitie door specifieke grootheden te meten die fungeren als thermometers voor de orde van het systeem. Ze ontdekten dat terwijl de gebruikelijke maten van orde verdwenen, een meer geavanceerde maat, die naar het systeem kijkt in een verdubbelde wiskundige ruimte, de verandering duidelijk signaleerde. Deze nieuwe fase is niet slechts een rommelige versie van de oude; het is een duidelijke staat van materie met een eigen unieke eigenschappen.

Misschien wel de meest verrassende ontdekking was de aard van de fase die bestaat vlak voordat de symmetrie breekt. In de regio waar de ruis aanwezig is maar nog niet sterk genoeg is om de symmetrie te breken, gaat het systeem een gemengde-toestandversie van de topologische fase aan. In zuivere toestanden staat deze fase erom bekend kwantuminformatie op de randen op te slaan, beschermd door de symmetrie van het systeem. In deze nieuwe gemengde fase ontdekten de onderzoekers dat het systeem nog steeds twee logische qubits aan informatie vasthoudt, ook al zijn de traditionele tekenen van deze orde verdwenen. De standaardmanier om deze orde te detecteren, die het betreft het observeren van een specifieke reeks correlaties, faalt volledig in de gemengde toestand omdat de ruis het lineaire signaal vernietigt. Echter, door een andere diagnostisch instrument te gebruiken dat naar de coherentie van het systeem kijkt op een niet-lineaire manier, toonden het team aan dat de informatie er nog steeds is, beschermd door een subtiele symmetrie die zowel op het systeem als op zijn wiskundige spiegelbeeld werkt. Deze fase is verschillend van eerder bestudeerde decoherente toestanden omdat het een hoge mate van zuiverheid behoudt, wat betekent dat het systeem niet zo rommelig is als men zou verwachten.

De studie behandelde ook een belangrijke praktische hindernis bij het observeren van deze fenomenen: de moeilijkheid van het meten van gemengde toestanden op echte kwantumcomputers. Omdat deze toestanden inherent ruizig zijn, vereist het meten ervan meestal een enorm aantal monsters om een duidelijk signaal te krijgen, wat experimenten op huidige hardware vaak onmogelijk maakt. De onderzoekers ontdekten dat door hun initiële toestanden zorgvuldig te kiezen — specifiek door ze af te stemmen op een speciaal punt waar het systeem van nature invariant is voor de ruis — ze gemengde toestanden konden creëren die verrassend zuiver blijven. Deze hoge zuiverheid vermindert drastisch het aantal metingen dat nodig is om de faseovergang te detecteren. Ze berekenden dat voor een systeem van achttien locaties, het onderzoeken van de transitie op dit optimale punt slechts enkele honderden metingen (shots) zou vereisen, terwijl het onderzoeken ervan op een minder optimaal punt tienduizenden zou vereisen. Dit suggereert dat het fenomeen dat zij hebben beschreven niet slechts een theoretische curiositeit is, maar iets dat gerealiseerd en geobserveerd kan worden op nabije kwantumapparaten (near-term quantum devices).

Het team baseerde zijn werk op een slimme wiskundige truc die het kwantumprobleem mapt op een klassiek statistisch mechanica-model, een goed begrepen kader voor het bestuderen van hoe deeltjes met elkaar interageren. In dit klassieke beeld vertaalt de kwantumruis zich in lang reikende interacties tussen spins, vergelijkbaar met hoe magneten elkaar over een afstand beïnvloeden. Deze mapping stelde hen in staat om krachtige computersimulaties te gebruiken om het gedrag van het systeem over een breed scala aan parameters te verkennen. Ze bevestigden dat de transitie naar de symmetriebrekende fase optreedt bij een eindige ruissterkte voor een breed scala aan machtswet-exponenten, zolang de interacties maar lang genoeg zijn. Ze toonden ook aan dat als de interacties kort reikend waren, de transitie zou verdwijnen, waarmee zij bevestigden dat het lang reikende karakter van de ruis het cruciale ingrediënt is dat deze nieuwe fase in één dimensie mogelijk maakt.

Uiteindelijk opent dit onderzoek een nieuw venster naar het gedrag van kwantummaterie in een ruisige omgeving. Het demonstreert dat de beperkingen van eendimensionale systemen overwonnen kunnen worden door lang reikende verbindingen te introduceren, wat leidt tot een rijk fasediagram met nieuwe toestanden van materie. De ontdekking van een gemengde-toestand topologische fase die kwantuminformatie behoudt ondanks decoherentie, biedt een nieuw perspectief op hoe kwantumdata beschermd kan worden. Bovendien biedt de identificatie van een parameterregime waarin deze toestanden een hoge zuiverheid behouden een duidelijke route voor experimentatoren om deze ideeën in het laboratorium te testen. Het werk suggereert dat de kwantumwereld, zelfs wanneer deze rommelig en eendimensionaal is, meer verrassingen en meer robuuste vormen van orde bevat dan voorheen werd aangenomen, wachtend om te worden ontsloten door de juiste soort ruis.