Shayan Majidy is a PhD candidate at Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. As a theoretical physicist in Dr. Raymond Laflamme’s group, Majidy’s research focuses on the dynamics of quantum information. Specifically, his research is centred on how non-classical properties of information are generated, harnessed, or lost, and the physical consequences that ensue. This entails studying the resources that confer quantum advantages, how universal properties affect quantum dynamics, and the thermodynamics of information processing.
Recently, Majidy was lead author of the perspective article Noncommuting conserved charges in quantum thermodynamics and beyond in Nature Review Physics, which surveys results across a subfield Majidy works in, including three of his recent papers, and discusses the future opportunities in this field of research. In this edition of ‘Quantum Q&A’, we’ve asked him to tell us more about this new article.
Shayan Majidy (third from left) with his collaborators.
Can you explain the topic you cover in this Perspectives article?
Measuring the temperature of your coffee shouldn't change the amount of coffee in your cup. Since measuring one does not affect the other, we say the coffee’s energy and volume commute. This intuitive assumption that conserved quantities, also known as charges, commute, underlies many physics derivations. However, charges’ failure to commute is important in quantum theory; it underlies the famous uncertainty principle. So, what happens changes when charges don't commute? In the perspective article, we survey the changes you find by allowing charges not to commute.
What is something that excites you about this work?
You can take a thoroughly studied problem and introduce what seems like a minor change —have the charges not commute. Sometimes, this makes only minor differences, other times, it results in characteristically different phenomena. It's like opening a pack of hockey cards; part of the excitement is not knowing if you're going to get a rare card or not. The main difference from the hockey card analogy is that in research, you're not going in blind. You have reason to think a certain result will or won't happen.
Can you explain your latest research findings?
Forget what I just said about having reason to think something will happen. My recent work felt like finding a rare card unexpectedly.
Entanglement has a lot of applications. For example, it can be a resource for quantum technologies, and it explains how microscopic reversible dynamics can lead to macroscopic irreversible ones. Across physics disciplines, people are interested in understanding how entanglement grows, spreads, and fluctuates. Monitored quantum circuits are one toolbox for understanding these things. In general, they consist of random two-qubit gates which will entangle the qubits and mid-circuit projective measurements, which disentangle them. The gates and the measurements are in a tug-of-war.
You imagine you have a knob that tunes how often you do the measurements. If the measurements are "turned-down," the gates win and the system will evolve into a highly-entangled state called a volume-law state. You can then slowly turn-up the measurement knob. For a while, the gates will still win. Then suddenly you pass a special point, called the critical point. After that point, the measurements win and the system will evolve into a much-less-entangled state called an "area-law state." The critical point has some really interesting properties which I talk about it in more detail in a recent invited seminar with IBM.
Usually, you have a volume-law phase, a critical point, and an area-law phase. However, introducing noncommuting charges kills the area-law phase. So, you turn up the knob, you get to the critical point, you keep turning-up the knob, and it still looks like you're at the critical point. We call this a critical phase. Critical phases are interesting because they're rare in nature, kind of like a first-edition Connor McDavid hockey card. We're still trying to understand this critical phase and why it emerges.
What are the real-world implications of noncommuting charges?
First, part of the fun of this topic is that we still don't fully understand all the theoretical implications of noncommuting charges. With that said, there are some intriguing prospects. One is that charges' noncommutation seems to resist thermalization in some ways while prompting it in others. If noncommuting charges resist thermalization (i.e., resist the arrow of time) then maybe we can use them for creating longer-lasting quantum memories or batteries.
Parlons quantique avec Shayan Majidy
Candidat au doctorat à l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, Shayan Majidy travaille comme physicien théoricien dans le groupe du Pr Raymond Laflamme. Ses travaux portent sur les dynamiques de l’information quantique, et plus particulièrement sur les façons dont les propriétés non classiques de l’information sont produites, utilisées ou perdues ainsi que sur les conséquences physiques qui en découlent. Pour ce faire, il étudie les ressources qui offrent des avantages quantiques, les effets des propriétés universelles sur les dynamiques quantiques, et la thermodynamique du traitement de l’information.
Dans un article récent de Nature Review Physics dont il est l’auteur principal, « Noncommuting conserved charges in quantum thermodynamics and beyond », Shayan Majidy examine les résultats dans l’un de ses sous-domaines de prédilection – y compris trois de ses études de fraîche date – et discute de l’avenir de ce champ de recherche. Dans ce numéro de Parlons quantique, il nous entretient plus longuement de cet article.
Shayan Majidy (troisième à gauche) avec ses collaborateurs.
Pouvez-vous expliquer le sujet de votre article?
Le fait de mesurer la température d’un café ne devrait pas réduire la quantité de liquide dans la tasse. Puisque ces deux propriétés sont indépendantes, on dira que l’énergie et le volume du café commutent. Cette compréhension intuitive que les quantités conservées – les charges – sont commutatrices sous-tend une multitude de dérivations de la physique. Or, l’incapacité des charges à commuter est un point important de la théorie quantique; c’est l’assise du célèbre principe d’incertitude. Mais qu’arrive-t-il lorsque les charges ne commutent pas? Notre article dans Perspective examine les changements qui surviennent lorsqu’on permet aux charges de ne pas commuter.
Qu’est-ce qui vous passionne de ce sujet?
Quand on prend un problème qui a déjà été étudié de A à Z et qu’on modifie un paramètre en apparence mineur – comme la commutation des charges –, des fois, ça ne change presque rien, mais d’autres fois, on observe des phénomènes complètement différents. C’est comme ouvrir un paquet de cartes de hockey, la fébrilité de découvrir si on aura ou non une carte rare… Sauf qu’en recherche, on ne procède pas à l’aveugle; on fait un changement parce qu’on pense qu’il va se produire (ou ne pas se produire) quelque chose de précis.
Pouvez-vous expliquer vos découvertes récentes?
Oubliez ce que je viens de dire sur le fait de ne pas procéder à l’aveugle : mes travaux récents reviennent pas mal à avoir trouvé une carte rare sans m’y attendre!
L’intrication a une foule d’applications. Par exemple, elle peut servir de ressource pour les technologies quantiques, et elle illustre comment les dynamiques microscopiques réversibles peuvent se transformer en dynamiques macroscopiques irréversibles. Dans toutes les disciplines de la physique, on s’intéresse aux façons dont l’intrication s’installe, se répand et fluctue. Les circuits quantiques surveillés sont l’un de nos outils pour comprendre tout cela. En général, ils se composent de portes aléatoires à deux qubits, qui créent des intrications entre les qubits, et de mesures projectives de milieu de circuit, qui défont ces intrications. Portes et mesures sont engagées dans un bras de fer constant.
Imaginez un bouton de réglage qui détermine la fréquence des mesures. S’il est au plus bas, les portes prennent le dessus et le système atteint un niveau d’intrication élevé, dit en loi de volume. Si l’on tourne lentement le bouton, les portes gardent le dessus pendant un certain temps, mais après un point particulier, appelé point critique, les mesures commencent à l’emporter, et le système perd beaucoup de son intrication jusqu’à atteindre un état dit en loi d’aire. Ce point critique a des propriétés vraiment intéressantes que j’ai couvertes plus en détail dans un séminaire récent pour IBM.
Normalement, on a une phase en loi de volume, un point critique et une phase en loi d’aire. Toutefois, avec des charges non commutatrices, la phase en loi d’aire disparaît : on continue de tourner le bouton, mais le système semble figé au point critique. C’est ce qu’on appelle la phase critique. C’est intéressant parce que les phases critiques sont rares, un peu comme une première édition de la carte de Connor McDavid au hockey. Nous travaillons encore à essayer de comprendre cette phase et ce qui la provoque.
Quels sont les effets concrets des charges non commutatrices?
Une partie du plaisir à étudier le sujet réside dans le fait que l’on comprend encore imparfaitement les implications théoriques des charges non commutatrices. Et il existe des possibilités intrigantes; par exemple, la non-commutation agit parfois comme une protection anti-thermalisation, et parfois comme un stimulant de cette même thermalisation. Si les charges non commutatrices résistent à la thermalisation (et donc à la flèche du temps), elles pourraient potentiellement servir à créer des mémoires ou des batteries quantiques plus durables.