The Signal
Un esperimento con un qubit superconduttore mostra che la postselezione infrange la linearità
Un esperimento con un transmon superconduttore rileva un’evoluzione non lineare in un sottoinsieme di storie di misurazione quantistica selezionate perché prive di salti quantici. Il sistema completo a tre livelli, considerato senza questo
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
La postselezione cambia la regola per un sottoinsieme di misurazioni
La dinamica quantistica preserva la sovrapposizione: se si fanno evolvere due stati separatamente, la loro somma pesata dovrebbe evolvere nella stessa somma pesata dei risultati. Eppure un esperimento con un transmon superconduttore, pubblicato il 23 ottobre su Physical Review Research, rileva un’eccezione circoscritta. Se si conservano soltanto le storie di misurazione in cui non avviene alcun salto quantico, gli stati normalizzati del sottoinsieme selezionato possono evolvere in modo non lineare.
Il risultato non dimostra che la meccanica quantistica ordinaria abbia cessato di essere lineare. La non linearità compare in una descrizione efficace di un sottoinsieme postselezionato; quando i ricercatori considerano il sistema completo a tre livelli, la sua evoluzione resta lineare. È questa la distinzione su cui si fonda il risultato: selezione e rinormalizzazione cambiano il modo in cui evolve il sottoinsieme, non la dinamica sottostante del sistema completo.
I tre livelli di un transmon preparano il test
Orion Lee, Qian Cao, Yogesh N. Joglekar e Kater Murch usano i tre stati a energia più bassa di un transmon superconduttore, indicati con |g⟩, |e⟩ e |f⟩. Lo stato |e⟩ decade rapidamente in |g⟩, mentre lo stato |f⟩ decade in |e⟩ molto più lentamente. Un pilotaggio coerente accoppia |e⟩ e |f⟩; conservare soltanto le prove senza un salto a |g⟩ isola un sistema efficace a due stati con una dinamica non hermitiana.
Il filtro ha conseguenze perché cambia i pesi relativi dei diversi stati iniziali. L’evoluzione senza filtro resta lineare, ma i ricercatori rinormalizzano le prove rimanenti affinché le loro probabilità sommino a uno. Stati iniziali con storie diverse di perdita di popolazione ricevono fattori di normalizzazione diversi: perciò una sovrapposizione preparata all’inizio non coincide necessariamente con una sovrapposizione ottenuta combinando le componenti fatte evolvere separatamente.
«Il processo di postselezione implica la rinormalizzazione delle traiettorie sperimentali nel sottoinsieme postselezionato, con una conseguente rottura della linearità.»
Scrivono Orion Lee, Qian Cao, Yogesh N. Joglekar e Kater Murch, autori dell’articolo
La tomografia segue la discrepanza
Il gruppo verifica questa differenza preparando stati di base e sovrapposizioni, poi usando la tomografia dello stato quantistico per ricostruirne l’evoluzione. L’esperimento si svolge su una sezione di un chip con tre transmon: uno fornisce il sistema dissipativo a tre livelli, un secondo aiuta a leggerne lo stato e un accoppiatore regolabile media il trasferimento. Poiché lo stato eccitato decade più rapidamente di quanto la misurazione riesca a distinguerlo con chiarezza, i ricercatori ne trasferiscono la popolazione al secondo transmon prima di leggere lo stato di entrambi.
Confrontano l’evoluzione misurata di una sovrapposizione con la sovrapposizione ricostruita dagli stati di base fatti evolvere separatamente. Le due traiettorie divergono e l’entità della discrepanza cambia quando l’intensità del pilotaggio oltrepassa il punto eccezionale del sistema, ossia la configurazione dei parametri in cui gli autovettori dell’Hamiltoniana efficace confluiscono. Al di sopra di quel punto, l’indice di linearità misurato si avvicina a uno; al di sotto, lo scostamento è più evidente, soprattutto per uno stato iniziale ortogonale all’autostato che sopravvive al punto eccezionale.
Il qutrit completo mantiene un’evoluzione lineare
Gli autori esaminano anche miscele di stati, estendendo il confronto dai vettori di stato alle matrici densità. Nel sottospazio postselezionato a due livelli, l’evoluzione della miscela si discosta dalla combinazione pesata delle sue componenti. Quando includono lo stato |g⟩ e considerano tutti gli esiti, il confronto è compatibile con un’evoluzione lineare. Il contrasto mostra perché riassumere il risultato dicendo semplicemente «l’evoluzione quantistica è non lineare» farebbe perdere di vista la condizione centrale dell’esperimento: lo scostamento emerge dopo il filtraggio e la rinormalizzazione.
La postselezione ha un costo in termini di probabilità
L’articolo presenta l’apparato come un modo per creare e studiare dinamiche non lineari anti-hermitiane in un sistema quantistico controllato, non come un vantaggio dimostrato per la computazione. Gli autori osservano che eventuali impieghi nell’elaborazione delle informazioni dovrebbero fare i conti con tassi di successo ridotti e con la natura probabilistica della postselezione. Il loro risultato concreto è una discrepanza misurata tra traiettorie sovrapposte nell’insieme selezionato a due livelli, a fronte di un’evoluzione lineare quando si considera il sistema completo a tre livelli.