[論文レビュー] Observation of measurement-induced quantum phases in a trapped-ion quantum computer

Crystal Noel, Pradeep Niroula+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 30被引用数 24

ひとこと要約

実験的に測定誘起の純粋化相と符号化相を、閉じ込めイオン量子計算機を用いた測定によって示し、参照量子ビットのエントロピー測定による初期臨界挙動と2相の存在を立証する。

ABSTRACT

Many-body open quantum systems balance internal dynamics against decoherence from interactions with an environment. Here, we explore this balance via random quantum circuits implemented on a trapped ion quantum computer, where the system evolution is represented by unitary gates with interspersed projective measurements. As the measurement rate is varied, a purification phase transition is predicted to emerge at a critical point akin to a fault-tolerent threshold. We probe the "pure" phase, where the system is rapidly projected to a deterministic state conditioned on the measurement outcomes, and the "mixed" or "coding" phase, where the initial state becomes partially encoded into a quantum error correcting codespace. We find convincing evidence of the two phases and show numerically that, with modest system scaling, critical properties of the transition clearly emerge.

研究の動機と目的

• 監視された量子多体ダイナミクスにおける測定誘起相転移を動機づけ、実現する。
• 参照キュービットをオーダーパラメータとして用い、純粋相（急速に射影される）と混合/符号化相（コード空間を保持する）を区別する。
• 比較的小さな系を使って2つの相の実験的証拠を示し、普遍的臨界挙動へのスケーリングを議論する。
• フィードバックと測定戦略が、ポスト選択なしでスケーラブルなプローブを可能にする方法を探る。

提案手法

• 最大13個のYb-171イオンを含む15イオン鎖に対して、ユニタリゲートと間に射影測定を挿入したランダム量子回路を実装する。
• 混合相におけるコード空間の存在を検証し、純粋相ではその不在を検証するために、系とエンタングルされた参照キュービットを使用する。
• 純化ダイナミクスを実現するために、スクランブリングユニタリと後続のランダムXX(pi/4)ゲート、およびサブ回路測定の確率的実行を用いる。
• 参照キュービットのエントロピーS_Qを、X、Y、Z基底でのトモグラフィーを実施し、フィードバック型のデタングリング回路でポスト選択を行い ClassicalエントロピーS_Cを得て測定する。
• ポスト選択なしでS_Cを閾値化できるよう、参照と測定補助系をデタングリングする古典的フィードバック回路を付加する。
• p=0.15で固定されたp、Lを変化させたランダム回路の集合を解析し、フェーズダイアグラムを構築し、有限サイズスケーリングを実施して臨界挙動を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定誘起の純化相と符号化相は、ランダムユニタリダイナミクスと測定を組み合わせた閉じ込めイオン回路において出現するのか？
• RQ2 単一の参照キュービットは、混合相の特徴であるコード空間の有無を、純粋相のそれとそれぞれ検出できるのか？
• RQ3 全結合型ランダム回路における純化遷移付近の有限サイズの特徴とスケーリング挙動はどうなるのか？
• RQ4 x軸基測定(p_x)を導入すると、純化遷移とその普遍性クラスにどう影響するのか？
• RQ5 観測される臨界特性（例：動的指数）を、近いうちのイオントラップハードウェアと控えめな系サイズで得ることができるのか？

主な発見

• 参照キュービットのエントロピー挙動としきい値を持つクラシカルエントロピーS_Cの閾値化によって、混合/符号化相と純粋相の両方が純化遷移で観測されることの証拠。
• フェーズダイアグラムは、低いpおよびp_xで混合相、より高いp_xまたはpで純粋相を示し、p=0.15での臨界点p_xc≈0.72(1)が存在するとのシミュレーション結果を示し、L≤8の実験データはシミュレーションと整合する相分離を示す。
• 有限サイズスケーリングは、臨界近傍でS_Qの遅延減衰τがL^{z}に比例し、z≈1/5であることを示唆しており、全結合設定に対する平均場型のペルコレーション期待と適合する。
• ポスト選択を回避し、参照キュービットのフィードバックによるデタングリングを用いた実験的に拡張可能なアプローチは、2つの相の直接的観測を可能にし、リソース要件を低減する。
• XXゲートのクロストークとデフェージングを含むノイジーなシミュレーションは、より高いエントロピーを説明するが、小さな系サイズ（L=4,6）でも混合と純粋の明確な分離は維持される。
• 識別された臨界特性（z≈1/5、ν≈1/2）はペルコレーションベースの期待と一致し、より大規模な系（L up to 32）へ拡張し、より深い臨界挙動へアクセスする計画がある。