[论文解读] Experimental detection of microscopic environments using thermodynamic observables

Ivan Henao, Raam Uzdin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文提出了一种实验方法，通过热力学可观测量检测量子系统中隐藏的微观环境，利用热力学约束（如Clausius不等式和全局被动性）的违反。通过在IBM量子处理器上测量特定可观测量的平均值，作者证明了无需完整态层析成像即可诊断非幺正动力学（表明环境耦合），且该方法在最多四量子比特的系统中展示了可扩展性。

ABSTRACT

Modern thermodynamic theories can be used to study highly complex quantum dynamics. Here, we experimentally demonstrate that the violation of thermodynamic constraints allows to detect the coupling of a quantum system to a hidden environment. By using the IBM quantum superconducting processors, we perform thermodynamic tests to detect a qubit environment interacting with a system composed of up to four qubits. The experiments are complemented by theoretical findings that show efficient scalability of the tests with respect to system size. Hence, they may be useful to detect an open system dynamics in situations where other methods (e.g. quantum state tomography) are practically infeasible.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、实验上可行的方法，用于检测开放量子系统中的微观环境耦合。
• 通过使用热力学可观测量替代量子态层析成像，克服大规模量子器件中该方法的局限性。
• 证明热力学约束（如Clausius不等式）的违反是非幺正、由环境驱动的动力学的可靠指标。
• 在超导量子比特上通过IBM Quantum Experience平台实验验证该方法。
• 表明基于可观测量平均值的热力学测试比基于轨迹的方法（如涨落关系）更具实用性。

提出的方法

• 使用可观测量 $\mathcal{B} = -\ln(\rho_s)$，其中 $\rho_s$ 为初始热态，基于Clausius不等式定义热力学约束：对于保值演化，有 $\Delta\langle\mathcal{B}\rangle \geq 0$。
• 通过测量系统演化后 $\mathcal{B}$ 的平均值变化 $\Delta\langle\mathcal{B}\rangle$ 来检测违反，以指示非保值（非幺正）动力学。
• 利用被动可观测量 $\mathcal{F}_\alpha$ 应用全局被动性约束以检测漏热，其中 $\Delta\langle\mathcal{F}_\alpha\rangle < 0$ 表明环境耦合。
• 在IBM的5量子比特超导处理器（墨尔本和埃塞克斯）上实现测试，使用制备初始热态并施加受控操作演化系统的量子线路。
• 利用理论结果（Huang等，2020）确保所需测量次数随系统尺寸多项式增长，从而实现可扩展性。
• 与热力学资源理论约束进行比较，表明即使资源理论不等式未被违反，全局被动性测试仍能检测到环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以使用热力学约束在不进行完整态重建的情况下检测量子系统中的微观环境耦合？
• RQ2 Clausius不等式和全局被动性约束的违反如何指示量子系统中隐藏环境的存在？
• RQ3 在何种情况下，基于可观测量平均值的热力学测试在检测环境耦合方面优于标准资源理论不等式？
• RQ4 这些测试是否可以在近场量子处理器上实现，其量子比特数量和相干时间有限？
• RQ5 此类热力学诊断在系统尺寸和测量成本方面的可扩展性如何？

主要发现

• 在IBM的5量子比特处理器上实验观察到Clausius不等式 $\Delta\langle\mathcal{B}\rangle \geq 0$ 的违反，表明由于环境耦合导致的非幺正动力学。
• 基于全局被动性约束的漏热测试在 $2.3 \lesssim \delta \lesssim 3.8$ 范围内检测到环境耦合，即使热力学资源理论不等式未被违反。
• 该方法实现了准确诊断，且测量次数随系统尺寸多项式增长，支持向更大系统扩展。
• 测试方法自包含，仅需系统测量，无需经典模拟或完整层析成像，后者在大型设备中不可行。
• 在资源理论约束未能检测到环境（例如由于对称态交换）的情况下，全局被动性测试成功识别出漏热。
• 结果证实，热力学可观测量为量子器件中的错误诊断提供了一种稳健、低成本的替代方案，优于基于轨迹的方法（如涨落关系）。