[論文レビュー] Observation of strong and weak thermalization in a superconducting quantum processor

Fusheng Chen, Zheng‐Hang Sun+23 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Quantum many-body systems参考文献 53被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、非可積分な1次元イジング型ハミルトニアンにおける異なる初期状態を準備することで、12キュービットの超伝導量子プロセッサを用いて、強熱平衡化と弱熱平衡化の実験的証明がなされた。時間分解能をもった局所的オブザーバブル、エンタングルメントエントロピー、およびconcurrenceの測定を通じて、強熱平衡化では局所的オブザーバブルが熱平衡値に収束するのに対し、弱熱平衡化では時間平均をとらない限り持続的な振動を示すことが示された。結果として、エンタングルメントダイナミクスが熱平衡化領域を特定する鍵となる診断指標であることが確立された。

ABSTRACT

We experimentally study the ergodic dynamics of a 1D array of 12 superconducting qubits with a transverse field, and identify the regimes of strong and weak thermalization with different initial states. We observe convergence of the local observable to its thermal expectation value in the strong-thermalizaion regime. For weak thermalization, the dynamics of local observable exhibits an oscillation around the thermal value, which can only be attained by the time average. We also demonstrate that the entanglement entropy and concurrence can characterize the regimes of strong and weak thermalization. Our work provides an essential step towards a generic understanding of thermalization in quantum systems.

研究の動機と目的

• 非可積分な量子多体系において、強熱平衡化と弱熱平衡化を実験的に観測し、区別すること。
• 初期状態の準備が、超伝導キュービットアレイにおける熱平衡化ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• エンタングルメントエントロピーとconcurrenceが、熱平衡化領域を識別する指標として果たす役割を評価すること。
• 現実的な量子プロセッサにおけるデコherenceに対して、熱平衡化の兆候がどれほど頑健であるかを評価すること。
• 初期状態の有効温度と熱平衡状態の出現との間に、つながりを確立すること。

提案手法

• マイクロ波駆動を用いて、可調式近接スピン結合と局所的横磁場を持つ1次元12キュービットの超伝導トランモンキュービットアレイを実現した。
• XX+YYスピンモデルに横磁場項を追加することで、非可積分ハミルトニアンを設計し、エルゴディックなダイナミクスを可能にした。
• 異なる有効逆温度βに対応するパrametric空間(θ₀, φ₀)における初期状態を準備した。
• 時間分解能をもった量子状態トモグラフィーを実施し、局所的オブザーバブル〈σᶻ(t)〉、エンタングルメントエントロピー（EE）、およびconcurrenceを測定した。
• Lindbladマスタ方程式を用いたデコherenceを含む・含まない数値シミュレーションを実施し、実験データと比較した。
• 動的位相をキャリブレーションすることで、キュービット間で同一の初期状態を確保し、再現可能な非平衡クイエンスダイナミクスを実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導量子プロセッサにおいて、強熱平衡化と弱熱平衡化を実験的に観測できるか？
• RQ2 有効逆温度で特徴づけられる異なる初期状態は、局所的オブザーバブルの熱平衡値への収束にどのように影響するか？
• RQ3 エンタングルメントエントロピーとconcurrenceは、強熱平衡化と弱熱平衡化の領域を区別する信頼できる指標として機能するか？
• RQ4 現実的な超伝導プラットフォームにおいて、熱平衡化の兆候はデコherenceに対してどの程度頑健か？
• RQ5 弱熱平衡化における観測されたダイナミクスは、長時間平均において熱的エンタングルメントに対応するか？

主な発見

• 強熱平衡化領域では、局所的オブザーバブル〈σᶻ(t)〉が熱期待値に収束し、初期状態|π, 0⟩では振動が認められない。
• 弱熱平衡化領域では、局所的オブザーバブル〈σᶻ(t)〉が熱平衡値のまわりで持続的な振動を示し、時間平均をとらない限り収束しない。
• 単一キュービット部分系のエンタングルメントエントロピー（EE）は、強熱平衡化と弱熱平衡化を明確に区別でき、強熱平衡化領域ではより高く、より安定したEEを示す。
• 近接キュービット間のconcurrenceは、弱熱平衡化領域で有限の値を示し、Jβ ≈ −1.034における熱的エンタングルメントと整合的である。
• デコherence（T₁ ≈ 23.6 µs, T₂ ≈ 3.82 µs）を含む数値シミュレーションは、EEおよびconcurrenceの両方において実験データと良好に一致した。
• 時間平均されたエンタングルメントエントロピーが、デコherenceを含むシミュレーションで実験データと最もよく一致したため、デコherenceが現実的ダイナミクスにおいて重要な役割を果たしていることが確認された。