[논문 리뷰] Unpredictability and entanglement in open quantum systems

Javad Kazemi, Hendrik Weimer|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 14.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고전적 세포자동기(CA)를 개방 양자 시스템에 레이저 마스터 방정식으로 통합하여, 예측 불가능성과 양자 얽힘의 공존을 연구한다. 양자 변동성이 시스템을 Rokhsar-Kivelson 유형의 얽힌 안정 상태로 이끌도록 도입함으로써, 중간 정도의 양자 변동 강도에서 장시간에 걸쳐 예측 불가능성(데이터 압축을 통한 콜모고로프 복잡도로 정량화됨)과 얽힘이 동시에 공존함을 보여주며, 초냉각 라이드버그 원자로 실험적으로 실현 가능함을 입증한다.

ABSTRACT

We investigate dynamical many-body systems capable of universal computation, which leads to their properties being unpredictable unless the dynamics is simulated from the beginning to the end. Unpredictable behavior can be quantitatively assessed in terms of a data compression of the states occurring during the time evolution, which is closely related to their Kolmogorov complexity. We analyze a master equation embedding of classical cellular automata and demonstrate the existence of a phase transition between predictable and unpredictable behavior as a function of the random noise introduced by the embedding. We then turn to have this dynamics competing with a second process inducing quantum fluctuations and dissipatively driving the system to a highly entangled steady state. Strikingly, for intermediate strength of the quantum fluctuations, we find that both unpredictability and quantum entanglement can coexist even in the long time limit. Finally, we show that the required many-body interactions for the cellular automaton embedding can be efficiently realized within a variational quantum simulator platform based on ultracold Rydberg atoms with high fidelity.

연구 동기 및 목표

• 강제 및 소산되는 양자 다체계에서 예측 불가능성과 양자 얽힘의 상호작용을 조사하기 위해.
• 세포자동기(CA)를 통한 보편적 계산에 뿌리를 두고 있는 예측 불가능성이 안정 상태에서 높은 얽힘과 공존할 수 있음을 보여주기 위해.
• 초냉각 라이드버그 원자를 사용한 고정밀 다체 상호작용을 통해 실현 가능한 실험적 실현 가능성을 제공하기 위해.
• 양자 역학적 동역학에서 콜모고로프 복잡도와 물리적 예측 불가능성 간의 연결 고리를 설정하기 위해.
• 양자 변동이 시스템의 본질적 예측 불가능성을 해치지 않으면서도 얽힘을 안정화시킬 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 시간 진동을 시뮬레이션하기 위해 주기적으로 역할을 교환하는 두 개의 연결된 1차원 체인을 사용하여 기본 세포자동기를 레이저 마스터 방정식에 통합하기.
• 유한한 사이클 시간을 사용하여 CA 동역학을 근사하고, 예측 불가능성을 평가하기 위해 데이터 압축을 통해 결함 분석 수행.
• 두 번째 레이저 항을 도입하여 시스템이 Rokhsar-Kivelson 유형의 얽힌 안정 상태로 향하도록 양자 변동을 도입하기.
• 변분 양자 시뮬레이션 접근법을 사용하여 양자 시뮬레이터에서 전체 소산 다체 동역학을 효율적으로 실현하기.
• 시간 진동 상태의 복잡도를 측정하기 위해 압축 지수 Sδ를 사용하며, 이는 콜모고로프 복잡도와 연결됨.
• 유한한 크기 스케일링을 수행하여 예측 가능성과 예측 불가능성의 상전이 점을 γtc = 5.80 ± 0.08에서 추정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강제 및 소산되는 양자 시스템의 안정 상태에서 예측 불가능성과 양자 얽힘이 공존할 수 있는가?
• RQ2 양자 변동이 세포자동기 동역학의 본질적 예측 불가능성을 유지하면서도 얽힘을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 예측 불가능성과 얽힘이 공존하기 시작하는 양자 변동의 강도는 어느 정도인가?
• RQ4 임베딩 과정에서의 유한한 사이클 시간은 시스템에서 예측 불가능성의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 개방 양자 시스템의 동역학은 양자 시뮬레이터 플랫폼에서 효율적으로 실현될 수 있는가?

주요 결과

• 사이클 시간 γtc에 따른 예측 가능성에서 예측 불가능성으로의 상전이가 관찰되었으며, 열역학적 극한에서 임계 값 γtc = 5.80 ± 0.08를 보였다.
• 중간 정도의 양자 변동 강도에서 장시간 안정 상태에서 높은 얽힘과 예측 불가능성이 동시에 공존함을 확인하여, 양자 위상과 계산의 불가역성 간의 비트레이스러운 상호작용을 시사한다.
• 콜모고로프 복잡도의 대체 지표로 사용된 압축 지수 Sδ는 예측 가능성에서 예측 불가능성으로의 명확한 전이를 보이며, 계산의 불가역성의 발생을 확인한다.
• 큰 사이클 시간에서 예측 불가능한 Class IV 단계에서는 간단한 구조체가 나타나 복잡하고 장수명의 패턴을 형성함을 보여줌.
• CA 임베딩에 필요한 다체 상호작용은 초냉각 라이드버그 원자를 기반으로 한 변분 양자 시뮬레이터에서 고정밀도로 효율적으로 실현 가능함.
• 제안된 변분 양자 추정 알고리즘의 개방 시스템 변형은 다체 상호작용을 포함한 전체 소산 동역학의 효율적 시뮬레이션을 가능하게 함.