Explorando el entrelazamiento a gran escala en la simulación cuántica | JoVE Visualize

Área de la Ciencia:

Ciencia de la información cuántica
Física de la materia condensada
Simulación Cuántica

Sus antecedentes:

El entrelazamiento es crucial en los sistemas cuánticos de muchos cuerpos, pero su estructura es difícil de descubrir en sistemas grandes.
El Hamiltoniano de entrelazamiento (EH) ofrece una descripción efectiva de los operadores de densidad reducida para los subsistemas grandes.
La verificación experimental de las predicciones teóricas con respecto a la estructura de entrelazamiento es un objetivo clave.

Objetivo del estudio:

Para investigar experimentalmente la estructura de entrelazamiento de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos utilizando el Hamiltoniano de entrelazamiento.
Para probar las predicciones fundamentales de la teoría cuántica de campos en el contexto de los modelos de celosía.
Para explorar la escala de la entropía de entrelazamiento en el suelo y los estados excitados.

Principales métodos:

Utilizó un simulador cuántico programable de 51 iones para preparar estados básicos y excitados de una cadena de Heisenberg 1D XXZ.
Se emplean técnicas de "aprendizaje" eficientes en la muestra para determinar el Hamiltoniano de entrelazamiento para subsistemas de hasta 20 sitios de celosía.
Analizó la estructura del Hamiltoniano de entrelazamiento y la escala de las entropias de entrelazamiento de von Neumann.

Principales resultados:

Proporcionó pruebas experimentales convincentes para una estructura local del entrelazamiento hamiltoniano.
Las predicciones fundamentales confirmadas de la teoría cuántica de campos (teoremas de Bisognano-Wichmann) adaptadas a los modelos de celosía.
Se observó una transición de la ley de área a la escala de la ley de volumen de las entropias de entrelazamiento entre el suelo y los estados excitados.
Demostró que el estado cuántico reducido forma un conjunto de Gibbs con un perfil de temperatura espacialmente variable, una firma de entrelazamiento.

Conclusiones:

La confirmación experimental de la estructura hamiltoniana de entrelazamiento local valida las predicciones teóricas en materia cuántica.
Las transiciones de escala de entropía de entrelazamiento observadas ofrecen información sobre la naturaleza del entrelazamiento en diferentes estados cuánticos.
Los métodos y hallazgos desarrollados son ampliamente aplicables al estudio del entrelazamiento en sistemas complejos de muchos cuerpos, ayudando potencialmente en la búsqueda de la ventaja cuántica.