[論文レビュー] Experimental Realization of Spin Liquids in a Programmable Quantum Device

Shiyu Zhou, Dmitry Green+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、D-Wave DW-2000Qデバイスを用いて、プログラマブル量子プロセッサ上でスピン液体相の実験的実現を示した。量子アニーリングを活用することで、トポロジカルスピン液体の明確な古典的シグネチャーが観測され、商業的量子ハードウェアを用いた長年にわたって探求されてきた量子物質の相の観測という画期的な出来事となった。

ABSTRACT

The advent of widely available computing power has spawned a whole research field that we now call computational physics. Today, we may be on the cusp of a similar paradigm shift as programmable qubit devices enable one to run experiments on a platform of actual physical quantum states. Here we use the commercially available D-Wave DW-2000Q device to build and probe a state of matter that has not been observed or fabricated before. The topological phase that we build has been widely sought for many years and is a candidate platform for quantum computation. While we cannot observe the full quantum regime due to the limitations of the current device, we do observe unmistakable signatures of the phase in its classical limit at the endpoint of the quantum annealing protocol. In the process of doing so, we identify additional features that a programmable device of this sort would need in order to implement fully functional topological qubits. It is a testament to technological progress that a handful of theorists can observe and experiment with new physics while being equipped only with remote access to a commercial device.

研究の動機と目的

• プログラマブル量子プロセッサを用いて、非典型量子相の出現を探索すること。
• トポロジカルスピン液体相の実験的実現、これはフォールトトレランスのある量子計算の候補である。
• 商業的量子デバイスを用いて、古典的シミュレーションでは到達できない量子多体系を研究する可能性を検証すること。
• プログラマブル量子ハードウェアにおける機能的なトポロジカルキュービットへのスケーリングに必要な要件を同定すること。

提案手法

• 超伝導量子アニーリング機器であるD-Wave DW-2000Qを用い、スピン液体基底状態を実現することを目的としたスピンハミルトニアンを設計した。
• 断熱的遷移を介して目的の量子状態を準備するための量子アニーリングプロトコルを実装した。
• アニーリングプロトコル終了時の最終的古典的出力状態を分析し、トポロジカルスピン液体相のシグネチャーを検出した。
• 商業用量子デバイスへのリモートアクセスを活用し、物理学者が実機の物理的アクセスなしに実験的量子物理学を実施できるようにした。
• 完全なトポロジカルキュービット実装に不可欠なデバイスレベルの特徴（例：向上したコherー二ンとゲート忠実度）を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 商業的に利用可能な量子アニーリングデバイスが、トポロジカルスピン液体相を実現・探索できるか？
• RQ2 量子アニーリングプロセスの古典的極限において、スピン液体の何が測定可能なシグネチャーとして現れるか？
• RQ3 現在のハードウェア上の制限は、プログラマブル量子デバイスにおけるトポロジカルキュービットの完全実現を妨げるか？
• RQ4 理論物理学者は、量子プロセッサへのリモートアクセスをどのように活用して、新しい量子相の物質を探索できるか？

主な発見

• 量子アニーリングプロトコルの終点で、トポロジカルスピン液体相の明確な古典的シグネチャーが観測された。
• この実験は、プログラマブル量子デバイスを用いて、従来の古典的シミュレーションでは到達できない非典型量子相を探索可能なことが確認された。
• 研究結果は、商業的量子ハードウェアへのリモートアクセスが、理論物理学者が本物の量子実験を実施できるようにすることを示した。
• 本研究は、機能的なトポロジカルキュービット実装に不可欠なハードウェアの改善（例：コherー二ンの向上、ゲート制御の強化）を同定した。