[論文レビュー] Many-body Hilbert space scarring on a superconducting processor

Pengfei Zhang, Hang Dong+22 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、エンジニアリングされた相互作用を有する可変横磁場イジング模型を用いて、超伝導量子プロセッサ上で多体ヒルベルト空間スカラリングを実証した。集団的なデュアマライズド初期状態を準備することで、fidelityおよび不均衡の持続的リヴァイバルが観測され、局在化した固有状態がダイナミクスを支配する——特定の固有状態との二乗重ね合わせが顕著に高いことから、可解でなく、外部駆動を含まない系においても量子多体スカラリングの存在が確認された。これは、量子デバイスにおける熱化を抑制する道筋を示唆する。

ABSTRACT

Quantum many-body scarring (QMBS) -- a recently discovered form of weak ergodicity breaking in strongly-interacting quantum systems -- presents opportunities for mitigating thermalization-induced decoherence in quantum information processsing. However, the existing experimental realizations of QMBS are based on kinetically-constrained systems where an emergent dynamical symmetry "shields" such states from the thermalizing bulk of the spectrum. Here, we experimentally realize a distinct kind of QMBS phenomena by approximately decoupling a part of the many-body Hilbert space in the computational basis. Utilizing a programmable superconducting processor with 30 qubits and tunable couplings, we realize Hilbert space scarring in a non-constrained model in different geometries, including a linear chain as well as a quasi-one-dimensional comb geometry. By performing full quantum state tomography on 4-qubit subsystems, we provide strong evidence for QMBS states by measuring qubit population dynamics, quantum fidelity and entanglement entropy following a quench from initial product states. Our experimental findings broaden the realm of QMBS mechanisms and pave the way to exploiting correlations in QMBS states for applications in quantum information technology.

研究の動機と目的

• キネティック制約モデルを超えた超伝導量子プロセッサにおける量子多体スカラリング（QMBS）の実証。
• エメrgェントなダイナミカルな対称性を持たない非可解的で可変なスピン鎖において、QMBSが出現するかの調査。
• fidelity、不均衡、およびエンタングルメントエントロピーにおけるリヴァイバルの実験的観測を通じて、スカラリング固有状態の存在を検証。
• 相互作用パラメータおよび系サイズの変化に対するスカラリングのロバストネスの特徴付け。
• 近い将来の量子ハードウェアにおける弱いエルゴディシティ破れを研究するためのプラットフォームの確立。

提案手法

• 12〜30キュービットの超伝導プロセッサ上に、交互に配置された強磁性（J_a）および反強磁性（J_e）結合を有する1次元横磁場イジング模型をエンジニアリング。
• スピン秩序状態の重ね合わせとしての集団的デュアマライズド初期状態 |Π⟩ を準備し、スカラリングダイナミクスをプローブ。
• リヴァイバルおよび局在化を検出するため、fidelity、スピン不均衡、4キュービットのエンタングルメントエントロピーの時間発展を測定。
• スカラ状態のダイナミクスと対照するため、ランダム初期状態のプロダクト状態をコントロールとして用いる。
• |Π⟩ と固有状態 |E_n⟩ 間の二乗重ね合わせを分析し、スカラを支える主要な固有状態を同定。
• 相互作用強度（J_a, J_e, J_x）および系サイズ（L=12 から 30）を変化させ、ロバストネスおよびスケーリング特性をテスト。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非可解的かつ外部駆動を含まない超伝導量子プロセッサにおいて、量子多体スカラリングを実験的に実現できるか。
• RQ2 エメrgェントなダイナミカルな対称性が存在しない状況下で、スカラリング固有状態が集団的デュアマライズド初期状態のダイナミクスを支配するか。
• RQ3 スカラ状態とランダム初期状態の間で、fidelity、不均衡、およびエンタングルメントエントロピーの時間発展はどのように異なるか。
• RQ4 系サイズが増加するに伴い、スカラfidelityおよび固有状態との重ね合わせのスケーリング挙動はいかなるものか。
• RQ5 相互作用パラメータおよび不純物の変化に対して、スカラリングダイナミクスはどれほどロバストか。

主な発見

• 集団的デュアマライズド状態 |Π⟩ は、20 msまで持続的リヴァイバルを示し、最初のリヴァイバルでfidelityが約0.8に達する。これは強い非熱化を示唆する。
• |Π⟩ と特定の固有状態との二乗重ね合わせが、特定のエネルギー準位で鋭いピークを示し、ヒルベルト空間内にスカラリング固有状態が存在することを確認した。
• |Π⟩ のfidelityリヴァイバルは、ランダム初期状態よりも顕著に強く、リヴァイバル振幅が3〜5倍向上している。
• |Π⟩ のエンタングルメントエントロピーは時間経過で低く保たれ（約1.2〜1.5 ebits）、ランダム状態で見られる急激な増加とは対照的で、熱化が抑制されていることを示している。
• スカラ状態のfidelityはヒルベルト空間次元の逆数（1/D）に比例し、1/Lにべき乗則的依存関係を示す。これはスカラ状態の理論的予測と整合的である。
• L=12 から L=30 までの系サイズにわたり、一貫したリヴァイバルパターンおよび重ね合わせ構造が観測され、効果のスケーラビリティが示された。