[論文レビュー] A randomized measurement toolbox for an interacting Rydberg-atom quantum simulator

Simone Notarnicola, Andreas Elben+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、相互作用するラビッチ原子量子シミュレータにおける量子多体状態をプローブするための確率的測定ツールボックスを提示する。局所的なランダムユニタリ回転を、調整された光シフトおよびマイクロ波駆動を用いて実装することで、実際のプラットフォーム（例：1次元SSHモデルやクエンチされたXY鎖）における実験的不備に対しても頑健である、状態の純度およびハミルトニアン分散の効率的推定が可能になる。

ABSTRACT

We present a toolbox to probe quantum many-body states implemented on Rydberg-atoms quantum hardware via randomized measurements. We illustrate the efficacy of this measurement toolbox in the context of probing entanglement, via the estimation of the purity, and of verifying a ground-state preparation using measurements of the Hamiltonian variance. To achieve this goal, we develop and discuss in detail a protocol to realize independent, local unitary rotations. We benchmark the protocol by investigating the ground state of the one-dimensional SSH model, recently realized on a chain of Rydberg atom, and the state resulting after a sudden quench in a staggered XY chain. We probe the robustness of our toolbox by taking into account experimental imperfections, such as pulse fluctuations and measurement errors.

研究の動機と目的

• 相互作用するラビッチ原子量子シミュレータにおいてもエンタングルメントをプローブし、基底状態の準備を検証するための測定ツールボックスを開発すること。
• 強い、避けがたい原子間相互作用が存在する状況下でも、ランダム測定を用いて状態に依存しない量子多体状態の特徴付けを可能にすること。
• ラビッチプラットフォームで既存の実験的ハードウェアと互換性を持つ、独立した局所的単一キュービットユニタリ回転のプロトコルを設計・実装すること。
• 1次元SSHモデルやクエンチされたステガレートXY鎖を含む、現実的なモデルにおいて、実験的ノイズを含む状況でツールボックスの性能をベンチマークすること。
• パルスの変動や測定誤差に対して本手法の頑健性を検証し、現在の量子シミュレータにおける実用的応用を保証すること。

提案手法

• 時間的に変化するグローバルマイクロ波駆動と局所的光シフトを用いて、ラビッチキュービットにおける局所的ランダム単一キュービット回転によるランダム測定の実装。
• 古典的シャドウ形式を用いて密度行列を推定し、純度やハミルトニアン分散などの物理的観測量を抽出する。
• 各キュービットに対して並列に独立した局所ユニタリを適用し、プロトコルの所要時間が系のサイズに依存しないようにする。
• ランダムユニタリ回路の測定統計から導かれる、二部状態の密度行列の二乗のトレースを用いて、二部状態の純度を推定する。
• 同じランダム測定フレームワークを用いて、ターゲット状態におけるハミルトニアンの分散を測定し、基底状態の準備を検証する。
• パルスの変動や測定誤差を含む現実的なノイズモデルを組み込んだ数値シミュレーションを通じて、プロトコルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互作用をオンにしたまま局所操作が行われる相互作用するラビッチ原子量子シミュレータにおいて、ランダム測定が効果的に適用可能か？
• RQ2 実験的ノイズ下でも、ランダム測定を用いて量子多体状態の純度をどれほど正確に推定できるか？
• RQ3 ハミルトニアンの分散を、状態に依存しない方法で基底状態の準備を検証するためにどの程度活用できるか？
• RQ4 現在の実験的プラットフォームにおいて、パルスの変動や測定誤差に対してランダム測定プロトコルはどの程度頑健か？
• RQ5 本ツールボックスは、ステガレートXY鎖における急激なクエンチ後の非平衡ダイナミクスをプローブするために応用可能か？

主な発見

• ランダム測定ツールボックスにより、ラビッチプラットフォームにおける数百キュービットに達する多体状態の第二リーマンエントロピー（純度を介して）の正確な推定が可能になった。
• パルスの変動や測定誤差を含む現実的な実験的不備に対しても、状態の純度を頑健に推定することができた。
• ハミルトニアン分散の測定は、基底状態の準備を検証するための信頼できるシグネチャーを提供し、SSHモデルではターゲット状態と高い忠実度を達成した。
• 局所ユニタリ回転が並列に適用され、系のサイズに依存しないため、測定時間の観点からもスケーラビリティを示した。
• 1次元SSHモデルおよびクエンチされたXY鎖における数値ベンチマークにより、本手法の正確性とノイズ耐性が確認された。
• 本ツールボックスは、光学トラップやマイクロ波制御を含む、現在のラビッチ量子シミュレータの実験的ツールと完全に互換性があり、直接的な実装が可能である。