開放量子系と非エルミート トポロジーの図。 クレジット: Jose Lado、アールト大学。
量子系の挙動を予測するための新しいアプローチは、量子技術の実世界への応用のための重要なツールを提供します。
科学者は、環境に結合された多体量子システムの動作を予測する方法を発見しました。 この進歩は、量子デバイス内の量子データを保護するために不可欠であり、量子テクノロジーの実用化への道を開きます。
に掲載された論文では、 フィジカルレビューレター、フィンランドのアアルト大学と中国のIAS清華大学の研究者チームは、外部環境に接続されたときの粒子群などの量子システムの挙動を予測するための新しいアプローチを発表しました. 通常、量子コンピューターのようなシステムをその環境に接続すると、デコヒーレンスや情報漏えいが発生し、システム内のデータが危険にさらされます。 しかし、研究者たちは、この問題を有益な解決策に変える技術を考案しました。
この研究は、Jose Lado 教授の監督の下、IAS Tsinghua の Fei Song と共同で、Aalto 博士研究員の Guangze Chen によって実施されました。 彼らのアプローチは、量子多体物理学と非エルミート量子物理学の 2 つのドメインの技術を組み合わせたものです。
デコヒーレンスとリークからの保護
量子系で最も興味深く強力な現象の 1 つは、多体量子相関です。 これらを理解し、その動作を予測することは、量子コンピューターと量子センサーの主要コンポーネントのエキゾチックな特性を支えているため、非常に重要です。 物質がその環境から隔離されている場合の量子相関の予測において多くの進歩が見られましたが、物質がその環境と結合している場合の量子相関の予測は、これまでのところ科学者を避けてきました。
新しい研究で、チームは、量子デバイスを外部システムに接続することは、適切な状況では強みになり得ることを示しました。 量子デバイスがいわゆる非エルミート トポロジーのホストである場合、堅牢に保護された量子励起につながります。その回復力は、環境に対して開かれているという事実に由来します。 この種のオープンな量子システムは、外部結合を利用して情報をデコヒーレンスやリークから保護する量子テクノロジーの破壊的な新しい戦略につながる可能性があります。
理想的な条件から現実の世界へ
この研究は、量子粒子が環境に結合されたときの量子粒子間の相関を計算するための新しい理論的方法を確立します。 「私たちが開発した方法により、散逸と量子多体相互作用を同時に提示する相関量子問題を解決することができます。 概念実証として、トポロジカル励起を特徴とする 24 の相互作用キュービットを持つシステムの方法論を実証しました」とチェンは言います。
ラド教授は、彼らのアプローチが、量子研究を理想化された条件から現実世界のアプリケーションに移行するのに役立つと説明しています。 「相関量子物質の挙動を予測することは、量子材料とデバイスの理論設計にとって重要な問題の 1 つです。 ただし、量子システムが外部環境に結合されている現実的な状況を考えると、この問題の難しさははるかに大きくなります。 私たちの結果は、この問題を解決するための一歩前進を表しており、量子技術の現実的な条件で量子材料とデバイスの両方を理解し、予測するための方法論を提供しています」と彼は言います。
参照: 「一般化されたカーネル多項式アルゴリズムを使用した非エルミート スピン チェーンにおけるトポロジカル スピン励起」、Guangze Chen、Fei Song、Jose L. Lado 著、2023 年 3 月 7 日、 フィジカルレビューレター.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.100401