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Abstract

Die Dynamik quantenmechanischer Vielteilchensysteme wird durch Quantenobservablen charakterisiert, die aus Korrelationsfunktionen an räumlich und zeitlich getrennten Punkten rekonstruiert werden1,2,3. Bei Dynamiken mit schneller Erzeugung von Verschränkung werden Quantenobservablen jedoch im Laufe der Zeit im Allgemeinen unempfindlich gegenüber den Details der zugrundeliegenden Dynamik aufgrund der Auswirkungen von Scrambling. Um diese Einschränkung zu umgehen und den Zugriff auf relevante Dynamiken in experimentellen Systemen zu ermöglichen, wurden wiederholte Zeitumkehrprotokolle erfolgreich implementiert4. Hier messen wir experimentell die zweiten Ordnung Out-of-Time-Order-Korrelatoren (OTOC(2))5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 auf einem supraleitenden Quantenprozessor und finden, dass sie auch auf langen Zeitskalen weiterhin empfindlich gegenüber der zugrundeliegenden Dynamik bleiben. Darüber hinaus manifestiert OTOC(2) quantenmechanische Korrelationen in einem hochverschränkten quantenmechanischen Vielteilchensystem, die ohne Zeitumkehrtechniken nicht zugänglich sind. Dies wird durch ein experimentelles Protokoll demonstriert, das die Phasen von Pauli-Zeichenketten im Heisenberg-Bild durch Einfügen von Pauli-Operatoren während der Quantenentwicklung randomisiert. Die gemessenen Werte von OTOC(2) ändern sich erheblich durch dieses Protokoll, wodurch konstruktive Interferenz zwischen Pauli-Zeichenketten sichtbar wird, die große Schleifen im Konfigurationsraum bilden. Der beobachtete Interferenzmechanismus verleiht OTOC(2) zudem einen hohen Grad an Komplexität für klassische Simulationen. Zusammen mit der Fähigkeit von OTOC(2), nützliche Details der Quantendynamik aufzudecken – wie anhand eines Beispiels zur Hamilton-Identifikation gezeigt –, deuten diese Ergebnisse auf einen praktikablen Weg hin zu quantenmechanischem Vorteil.