Физики впервые смогли вычислить топологическую энтропию запутанности для крупных квантовых систем

Учёные из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) представили новый способ численного моделирования топологических квантовых систем. Их работа опубликована в журнале Nature Physics .

Топологические квантовые системы отличаются тем, что их свойства зависят не от локальных взаимодействий и микроскопической структуры, а от общей связности решётки. Это делает их эволюцию во времени и дальнодействующие квантовые корреляции крайне трудными для предсказания.

Особое внимание исследователи уделили квантовым спиновым жидкостям — состояниям материи, в которых спины частиц не упорядочиваются даже при очень низких температурах. Такие состояния привлекают внимание физиков, так как связаны с экзотическими явлениями и потенциальными применениями в квантовых вычислениях.

Предыдущие эксперименты, в частности работа Semeghini и коллег 2021 года, впервые позволили наблюдать спиновую жидкость в лаборатории. Однако стандартные численные методы, используемые для анализа экспериментов на платформах с ридберговскими атомами, не учитывали ряда особенностей установок и могли давать некорректные сравнения.

Группа EPFL применила подход, основанный на параметризации квантового состояния. Вместо того чтобы просчитывать вероятности всех возможных конфигураций (а для системы из N спинов их число равно 2^N), исследователи закодировали волновую функцию с помощью небольшого числа параметров, напрямую отражающих корреляции.

Ключевым инструментом стала схема временно́го вариационного метода Монте-Карло (t-VMC), которая позволяет моделировать эволюцию квантового состояния во времени без упрощений, связанных с размером системы или формой решётки.

Новый метод дал возможность смоделировать протокол на ридберговском симуляторе максимально приближённо к эксперименту и в то же время масштабировать вычисления до крупных систем. Это позволило вычислить показатели, недоступные в реальных экспериментах, например топологическую энтропию запутанности. Она помогает отличать истинно топологическое состояние от беспорядочного квантового состояния.

По словам авторов, их стратегия может быть использована и другими группами для исследования динамики спиновых жидкостей и других топологических состояний материи.

Сейчас команда EPFL планирует расширить технику для симуляции новых квантовых устройств и протоколов, что может приблизить понимание фундаментальных свойств квантовых систем и открыть дорогу к новым применениям в квантовых технологиях.