Pasqals 256-Qubit-Prozessor findet in einem Quantenmagneten eine Verlangsamung, die die Theorie nicht vorhersagte
Ein von Pasqal geleitetes Preprint berichtet von einer unerwarteten Verlangsamung der Relaxation in einem 2D-Quantenmagneten aus 256 neutralen Atomen, wo drei Tensornetzwerk-Methoden versagen.
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Pasqal zufolge hat sein Neutralatom-Prozessor mit 256 Qubits in einem zweidimensionalen Quantenmagneten ein Verhalten offengelegt, das die gängige Theorie nicht vorhergesehen hatte. In einem Preprint, das gemeinsam mit dem Center for Computational Quantum Physics des Flatiron Institute, der Universität Augsburg, dem Forschungszentrum Jülich, der Universität Regensburg und dem Institut d'Optique–CNRS veröffentlicht wurde, berichtet das Team, dass der Magnet unter bestimmten Bedingungen nach einer plötzlichen Störung weit länger braucht, um sich zu beruhigen, als erwartet – in einem Regime, in dem führende klassische Simulationsmethoden nicht mehr miteinander übereinstimmen.
Was angekündigt wurde
Pasqal gab das Ergebnis am 27. Oktober bekannt und stellte die Arbeit Exploring the Relaxation Landscape of a 2D Quantum Magnet on a 256-Qubit Processor auf arXiv. Das Unternehmen sieht darin einen Wechsel: Quantenprozessoren dienen nicht mehr nur dazu, bekannte Physik zu reproduzieren, sondern decken Verhalten auf, das Forschende nicht vorhergesehen hatten. Die Arbeit baut auf einer früheren Studie auf, in der dieselbe Maschine das Verhalten eines realen magnetischen Kristalls nachgebildet hatte.
Die technischen Details
Im Experiment wurden 256 Rubidium-87-Atome in einem quadratischen 16×16-Gitter angeordnet; Grundzustand und ein Rydberg-Zustand jedes Atoms bildeten jeweils ein Qubit. Das System simulierte das zweidimensionale Ising-Modell im transversalen Feld, ein Referenzmodell des Magnetismus. Ausgehend von einem vollständig polarisierten Zustand änderten die Forschenden den Hamiltonoperator abrupt, einen sogenannten „Quench“, und beobachteten, wie die Korrelationen bei verschiedenen Verhältnissen von transversalem Feld zu Wechselwirkungsstärke relaxierten.
Sie fanden drei Regime. In der Nähe des dynamischen Phasenübergangs, bei einem Verhältnis von etwa 2,5, thermalisierte das System schnell. Bei einem starken Feld von 6,0 stellte sich ein langlebiges präthermisches Plateau ein, das durch ein effektives Modell vom XY-Typ beschrieben wird. Bei einem mittleren Wert von 3,5 verlangsamte sich die Relaxation deutlich, und die Korrelationen blieben weit über die übliche Zeitskala hinaus fern ihrer thermischen Werte. Die Autoren schreiben, dass sie für diese Verlangsamung noch keine klare Erklärung haben.
Zur Überprüfung verglich das Team die Daten mit drei Tensornetzwerk-Methoden: zweidimensionalen Tensornetzwerken, Matrixproduktzuständen und Baum-Tensornetzwerken. Alle drei stimmten anfangs mit dem Prozessor überein und entfernten sich später von den Messungen und voneinander. Die Ergebnisse des Prozessors blieben mit wachsender Systemgröße konsistent. Rauschmodellierung, Korrektur von Messfehlern und exakte Simulationen auf 5×5-Gittern stützten den Schluss, dass die Verlangsamung Vielteilchenphysik widerspiegelt und kein Hardware-Artefakt ist.
Warum es wichtig ist
Wie wechselwirkende Quantensysteme in zwei Dimensionen fern vom Gleichgewicht relaxieren, ist ein schwieriges offenes Problem – genau die Art Frage, bei der analoge Quantensimulatoren als nützlich gelten. Pasqal und seine Partner betonen ausdrücklich, dass die Arbeit keinen rechnerischen Quantenvorteil belegt. Stattdessen sehen sie darin einen Hinweis, dass solche Prozessoren als ergänzende wissenschaftliche Werkzeuge dienen können, wo Theorie und klassische Numerik an Grenzen stoßen.
„Wir reproduzieren nicht einfach, was wir bereits wissen, sondern decken Verhalten auf, das wir nicht erwartet hatten“, sagte Loïc Henriet, CTO von Pasqal.
Worauf zu achten ist
Die Arbeit ist ein Preprint; als Nächstes stehen das Peer-Review sowie Versuche anderer Gruppen an, experimentell wie klassisch, die Verlangsamung zu erklären. Die Autoren sehen Rydberg-Atom-Arrays als zentrale Plattform für die von ihnen benannten offenen Fragen und erklären, dass laufende Verbesserungen der Kohärenzzeiten den Weg zu systematischen Skalierungsanalysen bei endlicher Größe und endlicher Zeit ebnen.
Quellen
Die Informationen auf dieser Seite stammen aus den unten aufgeführten Quellen und wurden von DesignQuantum abgerufen.
- Pasqal's Neutral-Atom Processor Uncovers Quantum Magnet Behavior That Theory Did Not Predict (Pasqal press release) pasqal.com
- Exploring the Relaxation Landscape of a 2D Quantum Magnet on a 256-Qubit Processor (arXiv preprint) arxiv.org
- Pasqal 256-Qubit Neutral-Atom Processor Observes Unpredicted Slowdown in 2D Quantum Magnet Dynamics (Quantum Computing Report) quantumcomputingreport.com