Researchers have developed a new way to measure how quantum information behaves in correlated quantum systems that could be useful for understanding and improving quantum devices and quantum error correction codes.
“We are all excited about the potential of quantum entanglement for quantum information processing,” said Mohamad Niknam, who was a postdoctoral fellow at IQC when he co-authored the paper.
Mohamad Niknam
But to put quantum entanglement to use, researchers need to understand how quantum information behaves when it is encoded in an entangled state of the collection of qubits, known as a many-body quantum system.
Think of a 100-page book. By reading each page, you learn 1% of the content of the book. In the quantum entangled version of the same book, each page by itself does not have any comprehensible information, the information is encoded in the correlation between pages, and it is only after reading all the pages you learn everything in the book.
Entangled qubits in a quantum processor are similar. Looking at individual qubits doesn’t reveal the quantum information, but looking at the correlations of the whole many-body system does. This fascinating feature of quantum systems has practical uses, in particular for quantum error correction. If quantum information is encoded in a highly entangled state, corruption of one of the qubits has a small effect on the integrity of the entire message.
“In this work, we introduced and implemented an experimental protocol for making collective observations of multi-qubit quantum states that reveals the volume of correlations. When applied to an entangled system, this method probes the length of the entangled state or essentially, the number of pages in the quantum entangled book,” said Niknam.
The team, which includes Lea Santos of Yeshiva University and IQC and University of Waterloo Department of Chemistry faculty member David Cory, call the new quantity the “correlation Renyi entropy.”
The researchers developed a protocol to measure this entropy using nuclear magnetic resonance techniques. They found that the correlation Renyi entropy captures information about the long-time dynamics of the quantum system that is usually not captured by existing entropies, such as entanglement entropy.
Providing a better understanding and quantification of the spread of quantum information, the researchers’ new entropy will be a useful tool for scientists looking to measure and control the evolution of quantum systems in the devices that will power the next quantum revolution.
Niknam, now a postdoc at the Center for Quantum Science and Engineering at UCLA, said he enjoyed his time at IQC. “IQC allowed me the opportunity to contemplate fundamental problems in physics and explore them in the lab.
Now, he is excited to work at the intersection of theory and application designing new methods for efficient two-qubit gates and qubit entanglement, as well as quantum control applications.
Experimental Detection of the Correlation Rényi Entropy in the Central Spin Model was published in Physical Review Letters on August 18, 2021
This research was funded thanks in part to the Canada First Research Excellence Fund (CFREF).
De nouvelles recherches ouvrent une fenêtre sur les qubits intriqués
Des chercheurs ont mis au point une nouvelle manière de mesurer comment l’information quantique se comporte dans des systèmes quantiques corrélés. Cela pourrait permettre de comprendre et d’améliorer des dispositifs quantiques et des codes de correction d’erreurs quantiques.
« Nous sommes tous enthousiasmés par le potentiel de l’intrication quantique pour le traitement de l’information quantique » [traduction], dit Mohamad Niknam, qui était postdoctorant à l’IQC lorsqu’il a participé à la rédaction de l’article.
Mais pour exploiter l’intrication quantique, les chercheurs ont besoin de comprendre comment se comporte l’information quantique lorsqu’elle est codée par un état intriqué d’une collection de qubits, appelé système quantique à N corps.
Prenons l’exemple d’un livre de 100 pages. Lorsqu’on lit une page, on prend connaissance de 1 % du contenu du livre. Dans la version quantique intriquée du même livre, chaque page ne donne par elle-même aucune information compréhensible, car l’information est codée dans la corrélation entre les pages. Ce n’est qu’après avoir lu toutes les pages que l’on comprend tout d’un coup le livre dans son ensemble.
Les qubits intriqués d’un processeur quantique ressemblent à cela. L’examen de qubits individuels ne révèle aucune information quantique, mais celle-ci est donnée par les corrélations de l’ensemble du système à N corps. Cette caractéristique fascinante des systèmes quantiques a des applications pratiques, en particulier pour la correction d’erreurs quantiques. Si l’information quantique est codée dans un état hautement intriqué, l’altération de l’un des qubits a peu d’effet sur l’intégrité de l’ensemble du message.
« Dans ces travaux, dit M. Niknam, nous avons introduit et mis en œuvre un protocole expérimental pour faire des observations collectives d’états quantiques à plusieurs qubits et révéler le volume des corrélations. Appliquée à un système intriqué, cette méthode mesure l’ampleur de l’état intriqué, c’est-à-dire essentiellement le nombre de pages du livre quantique intriqué. » [traduction]
L’équipe de chercheurs, qui comprend Lea Santos, de l’Université Yeshiva, et David Cory, professeur à l’IQC ainsi qu’au Département de chimie de l’Université de Waterloo, appelle la nouvelle quantité mesurée entropie de Rényi des corrélations.
Les chercheurs ont mis au point un protocole de mesure de cette entropie à l’aide de techniques de résonance magnétique nucléaire. Ils ont trouvé que l’entropie de Rényi des corrélations donne à propos de la dynamique à long terme du système quantique une information qui n’est généralement pas fournie par les entropies existantes telles que l’entropie d’intrication.
En permettant de mieux comprendre et quantifier la portée de l’information quantique, la nouvelle entropie sera utile aux scientifiques qui souhaitent mesurer et contrôler l’évolution de systèmes quantiques dans les dispositifs qui alimenteront la prochaine révolution quantique.
Mohamad Niknam, qui est maintenant postdoctorant au Centre de physique et de génie quantiques à l’Université de la Californie à Los Angeles, dit qu’il a apprécié son séjour à l’IQC : « L’IQC m’a donné l’occasion d’étudier des problèmes fondamentaux de physique et de les examiner en laboratoire. » [traduction]
Il est maintenant heureux de travailler à la jonction de la théorie et des applications en concevant de nouvelles manières de créer des portes à 2 qubits et des qubits intriqués, de même que des applications de contrôle quantique.
L’article intitulé Experimental Detection of the Correlation Rényi Entropy in the Central Spin Model (Détection expérimentale de l’entropie de Rényi de corrélation dans le modèle de spin central) a été publié le 18 août 2021 dans Physical Review Letters.
Ces recherches ont été financées en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC).