[論文レビュー] Noise-resilient Edge Modes on a Chain of Superconducting Qubits

Mi Xiao, Michael Sonner+126 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、実験的および理論的に、エッジモードがトポロジカル保護により強いノイズ耐性を示すことを示しており、現実の散逸条件下でもマジョラナ演算子の崩壊時間が著しく延長されることを示している。フロケ駆動プラットフォームを用い、設計された散逸および可積分性を破る摂動を導入することで、著者らは位相的保護によりエッジモードがデコherenceに対して安定であることを示した。テンソルネットワークシミュレーションと実験データのフィッティングにより、その頑健性が裏付けられている。

ABSTRACT

Inherent symmetry of a quantum system may protect its otherwise fragile states. Leveraging such protection requires testing its robustness against uncontrolled environmental interactions. Using 47 superconducting qubits, we implement the one-dimensional kicked Ising model which exhibits non-local Majorana edge modes (MEMs) with $\mathbb{Z}_2$ parity symmetry. Remarkably, we find that any multi-qubit Pauli operator overlapping with the MEMs exhibits a uniform late-time decay rate comparable to single-qubit relaxation rates, irrespective of its size or composition. This characteristic allows us to accurately reconstruct the exponentially localized spatial profiles of the MEMs. Furthermore, the MEMs are found to be resilient against certain symmetry-breaking noise owing to a prethermalization mechanism. Our work elucidates the complex interplay between noise and symmetry-protected edge modes in a solid-state environment.

研究の動機と目的

• 実際のノイズ条件下における超伝導キュービット鎖におけるエッジモードのトポロジカル保護を実証すること。
• 駆動された量子系におけるマジョラナ演算子の寿命に、デコherenceおよび崩壊が及ぼす影響を調査すること。
• 実験的および理論的手段を用いて、可積分性を破る摂動下でのエッジモードの安定性を評価すること。
• 有限の結合次元を用いた影響行列法を構築し、適用することで、開こう量子多体系のダイナミクスをシミュレートすること。

提案手法

• トポロジカルに保護された系を実現するため、フロケ駆動された超伝導キュービット鎖を用いた。散逸を設計的に導入した。
• 開こう量子ダイナミクスをシミュレートするために、影響行列（IM）法を適用した。時間発展演算子をユニタリ発展演算子と局所的散逸の組み合わせとして近似した。
• 有限の結合次元（χ=128, 192）における行列積状態（MPS）圧縮を用いたテンソルネットワークの縮約により、時間相関関数を効率的に計算した。
• 実験データのフィッティングと理論的予測の妥当性を検証するため、一様なデコherence（γϕ）および崩壊（γd）パラメータを仮定した。
• 各フロケサイクル中に一様な磁場キックを導入することで、可積分性を破る摂動を導入した。これにより、頑健性をテストした。
• 12キュービットデバイスからの実験測定値と理論的フィッティングの一致を比較することで、シミュレーション結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キュービット鎖におけるマジョラナ演算子の寿命は、結合定数gおよび散逸パラメータγϕとγdの強さにどのように依存するか？
• RQ2 駆動されたオープン量子系において、位相的エッジモードはどれほどデコherenceおよび崩壊に対して保護されているか？
• RQ3 可積分性を破る摂動は、エッジモードの安定性およびマジョラナ演算子の崩壊時間にどのように影響するか？
• RQ4 有限の結合次元を用いた影響行列法は、この系における散逸的多体ダイナミクスを正確にシミュレートできるか？
• RQ5 時間的エンタングルメントは、オープン量子系のテンソルネットワークシミュレーションの効率性において果たす役割は何か？

主な発見

• マジョラナ演算子の崩壊時間は、g ≥ 0.8の領域で強く耐性を示し、実験データはγϕ=0.01およびγd=0.0046を仮定した理論モデルとよく一致した。
• 図18の理論的フィッティングにより、g ≥ 0.8の領域で崩壊時間がほぼ一定であることが確認され、ノイズ下でのトポロジカル保護が裏付けられた。
• 可積分性を破る摂動は、g < 0.8の小規模なg領域でのみ崩壊時間を短縮した。これは、高g領域におけるトポロジカル保護の頑健性を示している。
• MPS圧縮を用いた影響行列法により、開こう量子ダイナミクスの効率的シミュレーションが可能となり、χ=128およびχ=192で収束が確認された。
• マジョラナ演算子展開に含まれるマルチスピン相関関数が同一の崩壊率を示し、エッジモードのコherenの維持を支持した。
• 散逸は時間的エンタングルメントを減少させ、テンソルネットワーク縮約プロセスの効率性を向上させた。