[論文レビュー] Experimental Realization of a Measurement-Induced Entanglement Phase Transition on a Superconducting Quantum Processor

Jin Ming Koh, Shining Sun+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、中間回路における投影測定を用いた超伝導量子プロセッサ上で、測定誘発型もつれ位相転移を実験的に示した。測定レートを調整することで、体積則と面積則のもつれスケーリングの間の転移を観測し、抽出された臨界指数を用いたデータコラプスにより臨界的挙動を確認した。これは、近い将来の量子ハードウェアにおける動的量子位相の探査において重要な前進をもたらす。

ABSTRACT

Ergodic quantum many-body systems undergoing unitary dynamics evolve towards increasingly entangled states characterized by an extensive scaling of entanglement entropy with system volume. At the other extreme, quantum systems repeatedly measured may be stabilized in a measurement eigenstate, a phenomenon known as the quantum Zeno effect. Recently, the intermediate regime in which unitary evolution is interspersed with quantum measurements has become of interest. Numerical studies have reported the existence of distinct phases characterized by volume- and area-law entanglement entropy scaling for infrequent and frequent measurement rates, respectively, separated by a critical measurement rate. The experimental investigation of these dynamic quantum phases of matter on near-term quantum hardware is challenging due to the need for repeated high-fidelity mid-circuit measurements and fine control over the evolving unitaries. Here, we report the realization of a measurement-induced entanglement transition on superconducting quantum processors with mid-circuit readout capability. We directly observe extensive and sub-extensive scaling of entanglement entropy in the volume- and area-law phases, respectively, by varying the rate of projective measurements. We further demonstrate phenomenological critical behavior of the transition by performing a data collapse for different system sizes. Our work paves the way for the use of mid-circuit measurement as an effective resource for quantum simulation on near-term quantum computers, for instance by facilitating the study of dynamic and long-range entangled quantum phases.

研究の動機と目的

• 近い将来の超伝導量子プロセッサを用いて、駆動された量子系における測定誘発型もつれ位相転移を実験的に実現すること。
• 中間回路における投影測定のレートを変化させることで、体積則と面積則のもつれスケーリングの間の転移を示すこと。
• 実験データを用いた有限サイズスケーリングとデータコラプスにより、転移の臨界的挙動を検証すること。
• 中間回路測定を、動的および長距離もつれ位相の量子シミュレーションに実用的なツールとして確立すること。
• 複数の系サイズにわたるもつれエントロピーのデータの数値フィッティングにより、臨界指数と転移点を定量すること。

提案手法

• ブリックワークパターンの2層構造を持つランダムな2キュービットゲートと、各タイムステップでの確率的投影測定を組み合わせたハイブリッドランダム量子回路モデルを採用した。
• 超伝導キュービットを用いて中間回路測定を実装し、1マイクロ秒未満の読み取り能力（約750ナノ秒）を活用して、繰り返し高精度な測定を可能にした。
• ユニタリなランダム性を保証し、もつれ生成におけるバイアスを回避するために、ランダムな方向の単一キュービット回転とCXゲートを用いた。
• 部分的なキュービット群に対して量子状態トモグラフィーを実施し、縮約密度行列を用いてRényiエントロピーを抽出した。
• 有限サイズスケーリングとして、臨界指数γとνを用いてもつれエントロピーと測定レートをスケーリングし、L=5からL=8までの複数の系サイズでデータコラプスを達成した。
• スケーリングされたデータの散乱を最小化するための損失関数R(γ,ν)を最適化し、1%レベルの誤差推定を伴う対称的でグリッドサーチおよび勾配最適化によるフィッティング手順を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間回路測定機能を備えた超伝導量子プロセッサ上で、測定誘発型もつれ位相転移を実験的に実現できるか？
• RQ2 低測定レート領域では観測されたもつれエントロピーが体積則に従い、高測定レート領域では部分体積則に従うか？
• RQ3 異なる系サイズにわたるデータコラプスによって示されるように、位相の間の転移が臨界的挙動を示すか？
• RQ4 もつれ転移の実験的抽出臨界指数γとνは何か？
• RQ5 有限サイズ効果や代替推定法に対して、臨界測定レートp*はどれほど頑健か？

主な発見

• 測定レートpを変化させることで、体積則から面積則へのもつれスケーリングの転移が実験的に観測された。低pではもつれエントロピーが体積則に従い、高pでは部分体積則に従った。
• L=5の場合、p* ≈ 0.25でもつれエントロピーの分散がピークを示し、理論的予測と整合する臨界点の初期的証拠が得られた。
• L=5からL=8までの系サイズで有限サイズスケーリング形式を用いてデータコラプスを達成し、最良フィット臨界指数γ₀ ≈ 0.58とν₀ ≈ 1.48を用いて臨界的挙動を確認した。
• 熱力学的極限への外挿により、臨界測定レートはp* ≈ 0.22と推定され、推定手法に対して頑健であることが示された。
• 損失関数の最小化手順により、保守的な誤差推定が得られ、δγ ≈ ±0.12およびδν ≈ ±0.25となり、スケーリング挙動の信頼性の高いフィッティングが示された。
• 本研究は、超伝導ハードウェアにおける中間回路測定が、複雑な量子位相転移を探索するのに有効であることを示し、今後の動的および長距離もつれ位相の研究を可能にする。