Revealing new insights into quantum system interactions
IQC researchers develop theoretical framework and experimental tools to better understand how quantum systems interact
By Naomi Grosman
Researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) at the University of Waterloo have explored how quantum systems interact with their environments, revealing insights that could enhance future quantum computing applications.
Quantum systems — physical systems that follow the rules of quantum mechanics — all interact with their environments, but that interaction ranges from weak, minimal interference to strong interactions so impactful that the system and environment start affecting each other. Understanding the distinction can help scientists predict quantum system behaviour, potentially leading to a better understanding of fundamental science and improvements to quantum computing systems.
But so far, the transition from weak to strong has been very difficult to pinpoint.
New research led by Dr. Adrian Lupascu, IQC faculty and professor in the Department of Physics and Astronomy, members of his research group and collaborators has now better described the transition and built the theoretical framework and experimental tools to do so.
“Sometimes making progress in quantum information requires advancing certain limits of technology, such as increasing the size of a quantum system or improving its control. But our research is a different category of progress; we highlighted that there is something interesting happening in the transition from weak to strong coupling and found a physical implementation where we can explore this intermediate regime which is not something that was known or had been achieved before. We can now see where this crossover happens which gives more motivation and input to do future theoretical work.”
- Dr. Adrian Lupascu, IQC faculty and professor in the Department of Physics and Astronomy
From left to right, Adrian Lupascu and IQC graduate students Noah Janzen and Sean Dougherty at the Superconducting Quantum Devices Group lab at IQC
The Waterloo team designed a superconducting single quantum qubit and realized a device based on this design at Massachusetts Institute of Technology’s Lincoln Lab. The qubit design included a feature to allow adjusting the interaction between an atom and its environment from weak to strong — like turning a knob. This allowed the team to observe the transition, providing new insights into the complex physics involved.
Two main authors of the report, Dr. Robbyn Trappen and IQC alumni Dr. Xi Dai (PhD ‘22), collaborated on theory and implementation of the research. Trappen, who was a post doc at IQC while conducting this research, was responsible for running the experimental setup at MIT and coordination of experimental planning. Dai, then a graduate student, was involved in experimental work, contributing to the design of scripts and collaborating on data acquisition and analysis, and a detailed theoretical analysis following the completion of the experiment.
Trappen says the results from this experiment will be important in understanding the behaviour of quantum bits in a larger quantum processor, such as a quantum annealer, which is a specific type of quantum computer used to solve optimization problems.
“We are examining the qubit’s performance in situations very relevant to what it would encounter as part of a larger processer. Other researchers or companies have quantum annealers, but we are exploring an angle that isn’t usually looked at. It uses the same principles but the problems ours can solve is different and there are still questions to be answered how the future of quantum annealing will play out.”
- Dr. Robbyn Trappen, past IQC postdoc
Dai says it is commonly understood that quantum processors should be isolated to preserve their quantum properties, but complete isolation is ultimately unattainable.
“You need to be able to control the system and that always introduces some interaction with the environment. Instead of trying to isolate maybe the first step is to understand what the environment does to the system, which is what we did. The next step is we can maybe engineer the environment in a certain way that steers its effect to a direction we want.”
- Dr. Xi Dai, IQC alumni (PhD ‘22)
The work was part of a large quantum annealing program sponsored by Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) and Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). In addition to contributors from University of Waterloo, collaboration included researchers from MIT, Lincoln Lab, Northrop Grumman and University of Southern California.
The paper 'Dissipative Landau-Zener tunneling in the crossover regime from weak to strong environment coupling' was published in Nature Communications in January.
(All images were taken at Lupascu’s Superconducting Quantum Devices Group lab at IQC, University of Waterloo.)
Nouveau regard sur les interactions des systèmes quantiques
Des chercheurs de l’IQC ont mis au point un cadre théorique et des outils expérimentaux qui jettent une nouvelle lumière sur les interactions des systèmes quantiques.
Par Naomi Grosman
En étudiant l’interaction des systèmes quantiques avec leur environnement, des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo ont fait des découvertes qui ont le potentiel d’améliorer les futures applications de l’informatique quantique.
Les systèmes quantiques – des systèmes physiques qui suivent les règles de la mécanique quantique – interagissent avec leur environnement; ces interactions, parfois minimes, peuvent aussi être si prononcées qu’elles influencent le tout. En comprenant cette variabilité, les scientifiques pourraient être mieux à même de prédire les comportements des systèmes quantiques, et donc la science fondamentale et les façons d’améliorer l’informatique quantique.
Avant maintenant, la transition d’effets faibles à forts était très difficile à cerner.
Mais voilà que dans le cadre d’une nouvelle étude dirigée par Adrian Lupascu, professeur à l’IQC et au Département de physique et d’astronomie, un groupe de recherche et de collaborateurs est parvenu à mieux décrire la transition, si bien qu’il a pu créer un cadre théorique en plus d’outils expérimentaux à cet effet.
« Parfois, pour faire progresser l’informatique quantique, il faut repousser les limites de la technologie, par exemple en agrandissant un système quantique ou en apprenant à mieux le maîtriser. Mais nos recherches relèvent d’une autre catégorie de progrès; nous avons démontré qu’il se passe quelque chose d’intéressant quand le couplage environnemental passe de faible à fort et découvert une application physique qui nous permet d’étudier ce régime intermédiaire, ce que personne n’avait constaté ni accompli auparavant. Maintenant que nous pouvons observer la transition, nous sommes particulièrement motivés à étudier ces nouvelles données en vue de futurs travaux théoriques. »
- Adrian Lupascu, professeur à l’IQC et au Département de physique et d’astronomie
Deux des principaux auteurs du rapport de recherche, Robbyn Trappen et Xi Dai (diplômé au doctorat en 2022), ont collaboré pour les volets théorique et pratique de l’étude. M. Trappen, alors chercheur postdoctoral, était responsable du montage expérimental au MIT et de la planification. M. Dai, qui était alors un étudiant de cycle supérieur, a quant à lui participé à l’expérimentation, notamment en contribuant à la rédaction des scripts, à l’acquisition et l’analyse de données ainsi qu’à une analyse théorique détaillée une fois l’expérience terminée.
M. Trappen affirme que les résultats de cette expérience seront déterminants dans la compréhension du comportement des bits quantiques au sein d’un grand processeur quantique, comme un recuiseur quantique, un type d’ordinateur utilisé pour résoudre des problèmes d’optimisation.
« On examine le comportement du qubit dans des situations qui ressemblent beaucoup à celles qu’ils rencontreraient dans un grand processeur, explique-t-il. D’autres chercheurs et entreprises ont des recuiseurs quantiques, mais nous, on étudie un aspect habituellement laissé de côté. Notre recuiseur fonctionne selon les mêmes principes, mais il peut résoudre d’autres types de problèmes, et il reste encore des questions sans réponse quant à l’avenir du recuit quantique. »
- Robbyn Trappen
M. Dai précise qu’il est communément admis qu’un processeur quantique doit être isolé pour préserver ses propriétés, mais qu’une isolation totale est impossible.
« Il faut être en mesure de maîtriser le système, ce qui implique toujours une quelconque interaction avec l’environnement. Alors plutôt que d’essayer de l’isoler, il vaut peut-être mieux commencer par comprendre l’effet de l’environnement sur le système, et c’est ce que nous avons fait, raisonne-t-il. La prochaine étape, ce serait de trouver comment configurer l’environnement pour rapprocher son effet du résultat voulu. »
- Xi Dai
L’étude faisait partie d’un grand programme de recuit quantique parrainé par l’Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) et la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). En plus de l’équipe de l’Université de Waterloo, les participants comptaient des chercheurs du MIT, du Lincoln Laboratory et de l’Université de Californie du Sud.
L’article « Dissipative Landau-Zener tunneling in the crossover regime from weak to strong environment coupling » a été publié dans la revue Nature Communications en janvier.
(Images prises au laboratoire du groupe de Lupascu consacré aux dispositifs quantiques supraconducteurs, à l’IQC de l’Université de Waterloo)