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通过活性自旋团簇测量退相干效应下的量子信息扰乱动态
开发量子技术需要控制和理解多体系统中量子信息的非平衡动力学。局部信息通过创建复杂的关联（称为信息扰乱）在系统中传播，因为此过程阻止从局部测量中提取信息。在这项工作中，我们开发了一个改编自固态 NMR 方法的模型来量化信息扰乱。扰乱是通过时间反转 Loschmidt 回波 (LE) 和多重量子相干实验来测量的，这些实验本质上包含缺陷。考虑到这些缺陷，我们推导出非时间序相关器 (OTOC) 的表达式，以基于测量信息传播的活跃自旋数量来量化可观察的信息扰乱。基于 OTOC 表达式，退相干效应自然是由 LE 实验中未反转项的影响引起的。退相干会导致可测量程度的信息扰乱的局部化。这些效应定义了可观测的活跃自旋数量的局部化簇大小，从而确定了动态平衡。我们将模型的预测与使用固态 NMR 实验进行的量子模拟进行了对比，该实验测量了具有受控缺陷的时间反转回波的信息扰乱。从实验数据确定的量子信息扰乱的动态和其局部化效应之间具有极好的定量一致性。所提出的模型和派生的 OTOC 为量化大型量子系统（超过 10 4 个自旋）的量子信息动态提供了工具，与本质上包含缺陷的实验实现一致。
量子信息的动力学在变质效果下争夺
开发量子技术需要控制和理解多体系统中量子信息的非平衡动力学。本地信息通过创建称为信息争夺的复杂相关性来传播系统中，因为此过程可防止从本地测量中提取信息。在这项工作中，我们开发了一个改编自固态NMR方法的模型，以量化信息的争夺。通过时间逆转Loschmidt回声（LE）和多个量子相干实验进行了逆转，这些实验是通过内在包含不完美的。考虑到这些缺陷，我们得出了超时相关性（OTOC）的表达式，以根据测量信息传播的活动旋转的数量来量化可观察到的信息。基于OTOC表达式，在LE实验中的非扭转术语的效应自然而然地产生了效应，从而诱导了可测量的信息争吵程度的定位。这些效果定义了确定动态平衡的可观察到的活性自旋数量的定位簇大小。我们将模型的预测与使用固态NMR实验进行的量子模拟进行对比，这些量子模拟与时间反向回声相混合的信息与受控的缺陷。与量子信息的动力学及其从实验数据确定的效果相关的动力学发现了出色的定量一致性。提出的模型和衍生的OTOC设置了用于量化大量子系统（超过10个4旋转）的量子信息动态的工具，与实验实现了本质上包含不完美的实现。
![arXiv:2001.10517v1 [quant-ph] 2020 年 1 月 28 日](/simg/g:\will\search\icon\source\5\56ee5eed79ae946cc07c4009d723c7049b075cad.webp)
arXiv:2001.10517v1 [quant-ph] 2020 年 1 月 28 日
物理学在时间箭头方面面临尚未解决的难题。至少从 19 世纪末讨论玻尔兹曼 H 定理和洛施密特悖论以来，这一点就显而易见。尽管在将不同的时间箭头与宇宙的低熵大爆炸起源联系起来方面取得了进展，但由此产生的理解仍然不完整 [参见，例如，舒尔曼 (1997)]。尽管如此，“时间”箭头往往被视为理所当然，并且与运动学加动力学的“牛顿模式”相似 (Wharton, 2015)：人们通常认为物理系统总是可以描述为具有从过去到未来的“状态”(运动学)。也有一些众所周知的例外——并非所有物理模型都符合该模式的规则。例如，为了根据驻留作用原理找到系统在某一时刻的“状态”，我们必须指定其过去和未来边界的输入——位置坐标的值。这体现了“拉格朗日模式”，它需要一种一次性或块宇宙的方法。通过超越标准模式，我们可以摆脱传统思维的限制，对新的可能性持开放态度。在遇到僵局时，寻求这种自由尤其重要；本文提出了这样一种主张，即量子计算的惊人力量[即它与强形式的丘奇—图灵论题（Arora and Barak，2009）之间的紧张关系]正是那种要求放弃标准时间箭头的“悖论”。已经存在多条证据表明量子物理学与标准时间箭头存在争议[参见狄拉克（1938）； Wheeler 和 Feynman (1945, 1949) 在古典语境中的表现。早期的例子有：
通过两点相关的量子混乱表征...
我们如何表征量子混乱？在各种不同的方法中（参见参考文献1以进行审查），目前有两个不同的标准。第一个是能量谱的随机矩阵样的普遍性[2，3]：如果能量谱由高斯随机矩阵理论描述，则给定的量子系统是混乱的，我们只需用RMT表示[4-6]。第二个是对初始条件的敏感性：如果给定的量子系统在这个意义上是混乱的，如果它表现出指数级别的lyapunov的生长，则小扰动的小扰动生长，如超时阶 - 超顺序相关函数（OTOC）[7，8]。OTOC与Loschmidt回声密切相关，该回声也探测了混乱[9]。这些标准有几个不令人满意的特征。首先，目前尚不清楚这两个标准如何相关。第二，量子标准与经典混乱的特征的联系尚不清楚。可能会说，对初始条件的敏感性可以表征经典和量子混乱，但是局部量子系统存在问题。在古典理论中，最初的扰动可以任意地从数学意义上讲，并且指数级的增长可以永远继续下去。另一方面，在量子系统中，由于不确定性原理，扰动不能完全较小，并且局部量子系统通常不会显示指数级的增长，除非在特殊的限制下[10-14] [15]。因此，基于OTOC的早期生长的表征对通用局部量子系统不起作用。在上一篇论文[16]中，我们概括了上述单一混乱指数以定义量子lyapunov指数。基于Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型和自旋链（XXZ）模型的计算，我们提出，Lyapunov指数如此定义的指数表现出普遍的行为：Lyapunov Spectrum Spectrum与RMT在系统中时同意RMT。量子混乱的这种表征避免了通用局部系统缺乏指数增长的问题，因为一个人只需要指数的统计特性，而不是其详细的增长为 -
模拟量子模拟器的认证 - WRAP：华威大学
量子模拟正迅速成为量子技术的主要应用（1）。模拟模拟是一种关键方法，即在严格控制的环境中设计多体量子系统，并简单地允许其动态发生。随着这些系统规模的扩大和性能的提高，它们的计算能力开始超越现有的经典计算机（2-4）。尽管有所改进，但它们仍然受到错误的影响。因此，人们普遍认为，在模拟量子模拟器能够解决实际或基本重要问题之前，必须开发出定量保证容易出错的模拟量子模拟器输出正确性的方法（5）。模拟量子模拟器的验证通常依赖于包含错误和缺陷的可处理理论模型（1）。另一种方法是将动态正向和反向运行相同的时间，使系统返回到其初始状态——如果没有错误的话。这种方法通常被称为 Loschmidt 回声，它可以检测到一些错误和缺陷，但不能提供输出正确性的定量保证。已经开发出更复杂的变体，使模拟器从某个已知的初始状态通过状态空间中的闭环演化，最终返回到其初始状态 (6)。这些提供了模拟器如何忠实地实现目标汉密尔顿量的某种衡量标准。汉密尔顿学习 (7、8) 也服务于类似的目标，它正在为模拟模拟器开发。通过实验将目标汉密尔顿量应用于其近似稳定状态并估计一系列结果状态的预期值，汉密尔顿学习提供了实际应用的汉密尔顿量系数的估计值。虽然它将状态准备和测量中的错误错误地归因于汉密尔顿量中的错误，但它确实为实验实现的实际汉密尔顿量提供了一些信心。还为模拟量子模拟器开发了随机基准测试等方法来量化其组件的性能 (9)。然而，这些方法都无法对模拟器输出的正确性提供定量保证。最近还提出了一种用于估计量子模拟保真度的基准测试协议，但该协议需要指数级的经典资源，因此不可扩展（10）。在本文中，我们提出了一种可扩展且实用的认证协议，该协议为模拟量子模拟器输出的正确性提供了上限。由于所有量子模拟器的输出都是经典概率分布，因此我们的协议对错误和无错误的模拟量子模拟器生成的概率分布之间的变化距离设置了上限。我们将这项任务称为量子认证。实验上，我们的量子认证协议可以在现有的模拟模拟器上实现，特别是那些使用里德堡原子的模拟器。这些系统可以根据 XY 相互作用 (11) 以及交错单量子比特门 (12) 实现模拟汉密尔顿演化。因此，我们的工作可以解释为通过利用可编程性的进步来解决验证模拟量子模拟器输出的未决问题 (1，第 V 节)。