前回に引き続き、2019年度の10号目のネイチャーのハイライトより。
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量子物理学：量子スクランブリング
Nature 567, 7746
2019年3月7日
量子物理学：量子スクランブリング
Nature 567, 7746
2019年3月7日
閉じた量子系が熱化するにつれて、局所的な情報は系全体にわたって非局在化するようにスクランブルして、多体量子エンタングルメントや相関へ分散する。この量子情報スクランブリング過程は、ブラックホールのカオスを特徴付けるための強力な手段として登場したが、実験室ベースの系でも、スクランブリングの実験的な直接測定は困難である。今回K Landsmanたちは、量子スクランブリング過程を、イオントラップ量子コンピューターを使って操作できることを実証している。こうしたプラットフォームをスケールアップすれば、スクランブリングダイナミクスを実験的に直接調べることができるだけでなく、スクランブリング回路から、量子シミュレーションに有用な基準が得られるかもしれない。
News & Views p.36
Letter p.61
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この論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌では、「量子物理学：立証された量子情報スクランブリング」と題されています。
見出しにおいては、「相互作用する量子系における情報の非局在化は、その量子系の発展に重要な役割を果たしていると思われる。今回、この過程のダイナミクスを実験的に直接調べるのを可能にし得る方法が開発された。」と取り上げられました。
フルテキストを直訳しますと・・・
量子テレポーテーションによって検証された量子情報のスクランブル
となります。
見出しを直訳しますと・・・
相互作用する量子システムにおける情報の非局在化は、その進化において重要な役割を果たしているようです。このプロセスのダイナミクスを実験で直接調べることができる方法が開発されました。
となります。
本文を直訳しますと・・・
多体システムの部分間で広がる量子相関は、熱化と呼ばれるプロセスで、熱平衡へのシステムの進化に本質的にリンクしています。これらの相関の測定は、測定がノイズの存在によって模倣または破損されることなく、存在する膨大な量から関連情報をフィルタリングする必要があるため、困難です。 Natureの論文で、Landsman et al.[1]は、単一量子ビット（qubit）の量子テレポーテーションが、3体システムのすべてのコンポーネント間の相関につながるダイナミクスの直接的な証拠を提供できることを実証しています。このアプローチは、将来の多体量子シミュレーター（他の量子システムのモデル化に使用できる制御可能な量子システム）を特徴付ける強力なツールになる可能性があります。
物理システムが相互作用すると、それらの間で情報が配信されます。一般に、このプロセスはシステム間の相関関係につながります。量子力学的相互作用の場合、相関するシステムは絡み合っていると言われています。情報はその後単一のシステムから取得できませんが、複合アレイ全体で共有されます。その結果、ローカル領域（単一システムなど）のみを見ると、相互作用により初期情報が失われたと結論付けられます。この効果は、相互作用するシステムが熱平衡に向かって進行すること、つまり非常に不規則な状態に関係しています。この方法での情報の非局在化は、情報スクランブルとして知られるようになり、熱化の結果は、相互作用する量子系を理解し測定するための有用な機能になります。
スクランブルを研究するための確立された方法には、多体システムのさまざまな部分のさまざまな時間に測定された測定値を調べることが含まれます。相互作用が2つの空間的に分離されたシステムAとBの間の相関を広げるのに十分な時間を持っている場合、Aの測定はBの後続の測定に影響を与えます。この効果は、Aの測定シーケンスBを測定すると、測定Bのシーケンスと同じ結果が生成され、システムを逆に進化させ、Aを測定します。これらの測定は、時間外相関関数と呼ばれる数学関数の計算に使用されます[2]。
理想的な条件下では、この方法がシステムのすべてのペアに適用されると、情報スクランブルの証拠が得られます。ただし、スクランブルは、測定が繰り返されるたびに同じ結果が得られないことで示されます。このタイプの信号は、ノイズやその他の不完全性の影響により模倣され、再現性が同様に低下するため、しばしば決定的ではありません。したがって、情報スクランブルの正しい測定が実行されたことを検証する手法を考案することが重要です。
Landsmanと同僚が使用するアプローチは、以前の提案に基づいて、まさにそのような検証を達成します[3]。相互作用するシステムの単一のコピーを使用するのではなく、このスキームでは、相互作用するキュービットのシステムの2つのコピーに同様の時間発展を並列に実装します（図1）。コピーは、最初は高度に相関しています。最初のコピーの1つのキュービットを除くすべてが、2番目のコピーの同等のキュービットと絡まります。最初のコピーの残りのキュービットは入力と呼ばれ、いくつかの量子情報でエンコードされます。 2番目のコピーの残りのキュービットは、ターゲットと呼ばれる外部キュービットと絡み合っており、ターゲットは最低エネルギー状態で準備されています。この外部キュービットは相互作用には関与しませんが、検証に重要な役割を果たします。
量子ビットの相互作用を許可した後、実験者は情報スクランブルが発生したかどうかを判断します。最初の手順は、2つのコピーの2つの同等なキュービット間に特定のエンタングル状態が存在するかどうかを確認することです。答えが「はい」である確率は、時間外の相関関数を計算することによって得られた結果と同等です。ただし、現在のアプローチでは、もつれ状態の存在によって示唆されるスクランブルは、2番目のステップを使用して検証されます。このステップでは、入力の任意の状態が、量子テレポーテーションによって2つのリンクされたシステムを介してターゲットに転送されたかどうかを確認します。これは、真のスクランブルが発生した場合にのみ発生します。この機能を示すために、Landsmanらは、さまざまな量のスクランブルを導入するために異なる量子回路を使用し、2段階方式の利点をきちんと示します。
これらの実験を実行する研究者の能力は、キュービット（この場合はトラップされた原子イオン）を介して達成される絶妙なレベルの制御の結果です。新しいプロトコルの実装とは別に、この作業は、同じ著者が以前に実証したシステムよりも大きなシステムにそのような制御を拡張します[4]。それにもかかわらず、現在の研究における非局在化は、厳密に「多くの」体のシステムではない3キュービットのシステムで発生し、この方法は2つのコピーのダイナミクス間に直接対応があることに依存しています。このアプローチをより大きなシステムに拡張できるかどうかは未解決の問題です。ただし、重要なことは、ノイズまたはその他の欠陥の主な影響は、スクランブルの誤った表示を生成するのではなく、成功した相関を観測する確率をゼロにすることです。
この研究で実装された測定は、主に実験室の多体物理学に適用されますが、興味深いことに、情報を急速にスクランブルする純粋に量子力学的なブラックホールの単純化されたモデルでの情報フローの考慮から生じました。以前の研究[5]では、老化したブラックホールに落ちた情報は、ホーキング放射（ブラックホールによって放出される光）からほぼ即座に回復できることが示されました。現在の実験プロトコルはこの理論的シナリオを模倣しており、テレポートされる入力量子状態が落下情報の一部を演じ、出力がホーキング放射と見なされています。ブラックホールの近くでトラップイオン量子コンピューターを操作することはまずありませんが、実験技術におけるこれらの概念の使用は、科学の進歩を刺激するためにさまざまな研究の道を追求し、結び付けることの価値を示しています。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：News & Views p.36
本論文においては、日本語版本誌では、「量子物理学：検証された量子情報スクランブリング」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
検証済みの量子情報スクランブル
となり、Abstractを直訳しますと・・・
量子スクランブルは、ローカル情報をシステム全体に分散した多体量子エンタングルメントと相関に分散させることです。この概念は、閉じた量子系の熱化のダイナミクスに付随し、ブラックホールのカオスを特徴付ける強力なツールとして最近登場しました[1,2,3,4]。しかし、エルゴディック多体もつれ状態の指数関数的な複雑さにより、量子スクランブルの直接的な実験測定は困難です。量子スクランブリングを特徴付ける1つの方法は、時間外相関関数（OTOC）を測定することです。ただし、スクランブルは減衰につながるため、OTOCは通常、量子スクランブルと通常のデコヒーレンスを区別しません。ここでは、特定のユニタリプロセスのスクランブル機能に肯定的なテストを提供する量子回路を実装します[5,6]。このアプローチは、回路を通じて量子状態を条件付きでテレポートし、スクランブルが発生したかどうかを明確にテストすると同時に、OTOCを測定します。イオントラップ量子コンピューターの7量子ビット回路の一部として、調整可能な3量子ビットのユニタリー操作を通じて量子スクランブルプロセスを設計します。測定されたテレポーテーションの忠実度は通常約80％であり、対応するOTOC測定のスクランブル誘導減衰を実験的に制限することができます。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.61
Data availabilityによりますと・・・
すべての関連データは、リクエストに応じて対応する著者から入手できます。
究極に溜まりに溜まったネイチャー。次回は、「物性物理学：ねじれた二次元半導体ヘテロ構造のモアレ励起子」を取り上げます。
※巡回等ブログ活動が大変遅れており、本当に申し訳ございません。
