На квантовом процессоре обнаружили «острова порядка» внутри хаотической динамики
Физики экспериментально обнаружили устойчивые области упорядоченного движения внутри сложной хаотической квантовой системы. На сверхпроводящем квантовом процессоре исследователям удалось найти и стабилизировать повторяющиеся состояния среди динамики, которая обычно быстро становится хаотической. Авторы называют такие области квантовым аналогом «островов порядка» в классических системах.
В обычной механике регулярное и хаотическое движение могут существовать одновременно. Например, в фазовом пространстве сложной системы встречаются области со стабильными периодическими траекториями, окружённые хаотическим движением. Для многочастичных квантовых систем существование сопоставимой структуры предполагалось теоретически, но экспериментально наблюдать её было значительно сложнее из-за запутывания большого числа взаимодействующих квантовых состояний.
Исследователи из Чжэцзянского университета и Университета Лидса использовали сверхпроводящий процессор из 125 перестраиваемых кубитов. Для эксперимента они выбрали систему из 24 кубитов, соединённых в структуру в виде двухрядной лестницы. Между ними действовали управляемые взаимодействия, создававшие сложную многочастичную квантовую динамику.
Для поиска скрытых регулярных режимов учёные разработали гибридную схему с обратной связью. Квантовому процессору позволяли эволюционировать в течение очень короткого времени, после чего измеряли состояние отдельных кубитов. Полученные данные передавались обычному компьютеру, который подбирал новое сравнительно простое квантовое состояние, максимально близкое к результату предыдущего шага.
Затем это состояние снова создавали на квантовом процессоре и повторяли процедуру. Таким образом система последовательно проходила циклы короткой квантовой эволюции, измерения и классической оптимизации.
Начав с состояния, находившегося глубоко в хаотической области, алгоритм менее чем за десять таких циклов приблизил систему к устойчивой периодической траектории. После стабилизации наблюдались продолжительные повторяющиеся колебания, несмотря на шум оборудования, перекрёстные помехи между кубитами и несовершенство калибровки.
Каждый этап квантовой эволюции продолжался всего 80 наносекунд. Это позволяет использовать метод на современных квантовых процессорах, которым трудно долго сохранять сложные когерентные состояния без накопления ошибок.
Эксперимент показал, что регулярная траектория не создавалась искусственно самой обратной связью. Алгоритм фактически находил уже существующий устойчивый режим в исходной квантовой динамике и делал его доступным для наблюдения.
Изменяя силу взаимодействия между кубитами, исследователи увидели, что обнаруженные регулярные области плавно меняют форму, но не исчезают сразу. Такое поведение напоминает смешанное фазовое пространство классических систем, где стабильные «острова» могут существовать внутри окружающего хаоса.
При этом квантовый вариант имеет принципиальное отличие. В классической системе регулярная область может оставаться хорошо изолированной от хаотической. В эксперименте с кубитами запутывание продолжало увеличиваться даже на регулярных траекториях, хотя происходило это медленнее и более упорядоченно, чем в хаотических областях.
Полученный эффект связан с известным явлением квантовых многочастичных шрамов, при котором некоторые особые начальные состояния способны периодически возвращаться к близкой конфигурации и избегать быстрой термализации.
Однако обнаруженная структура шире. Квантовые шрамы обычно связаны с отдельными необычными траекториями или состояниями, тогда как в новом эксперименте регулярное движение существовало в целых областях близких начальных состояний. Авторы предполагают, что некоторые ранее наблюдавшиеся квантовые шрамы могут быть частью более крупного смешанного фазового пространства.
Разработанный метод может использоваться для поиска подобных режимов в других многочастичных квантовых системах. Поскольку алгоритму требуются только короткие периоды квантовой эволюции, локальные измерения и вычисления на обычном компьютере, он подходит для современных шумных квантовых процессоров.
В перспективе способность находить и контролировать регулярные режимы может помочь дольше сохранять полезную когерентную динамику и одновременно использовать квантовые процессоры как экспериментальные инструменты для изучения фундаментальных свойств сложных квантовых систем.
Исследование в журнале Nature Physics.