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

Qingling Zhu, Zheng‐Hang Sun+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2021

Quantum many-body systems被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、12キュービットのシステムを用いて、超伝導量子プロセッサを用いた熱化および情報スクラッチングの実験的証明がなされた。エンタングルメントエントロピーと三部集合相互情報量（TMI）を測定することで、qubitラダー構造はqubitチェーン構造と比較して、より速い情報スクラッチングとより強い熱化を示した。デcohエレント効果は、Lindbladマスター方程式を用いたシミュレーションにより定量的に評価され、実験データとの整合性が向上した。

ABSTRACT

Understanding various phenomena in non-equilibrium dynamics of closed quantum many-body systems, such as quantum thermalization, information scrambling, and nonergodic dynamics, is a crucial for modern physics. Using a ladder-type superconducting quantum processor, we perform analog quantum simulations of both the $XX$ ladder and one-dimensional (1D) $XX$ model. By measuring the dynamics of local observables, entanglement entropy and tripartite mutual information, we signal quantum thermalization and information scrambling in the $XX$ ladder. In contrast, we show that the $XX$ chain, as free fermions on a 1D lattice, fails to thermalize, and local information does not scramble in the integrable channel. Our experiments reveal ergodicity and scrambling in the controllable qubit ladder, and opens the door to further investigations on the thermodynamics and chaos in quantum many-body systems.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサにおける熱化および情報スクラッチングのダイナミクスを調査すること。
• 1次元qubitチェーンと2次元qubitラダー構造の間におけるスクラッチング行動の比較を行うこと。
• デコherenceが実験的量子系におけるエンタングルメントエントロピーダイナミクスに与える影響を定量化すること。
• 超伝導量子プロセッサからの実験データを用いて、理論的予測の情報スクラッチングを検証すること。

提案手法

• 12キュービットの超伝導プロセッサにおけるさまざまな部分系のフォン・ノイマンエンタングルメントエントロピーの時間発展を測定すること。
• 部分系のエントロピーを用いて三部集合相互情報量（TMI）を計算し、情報スクラッチングを調査すること。
• デコherenceを考慮したLindbladマスター方程式を用いたエンタングルメントエントロピーダイナミクスの数値シミュレーションを行うこと。
• 実験的に測定された $ T^*_{2,n} $ 時定数を用いて、$ \hat{C}_n = \hat{\sigma}^z_n / \sqrt{2T^*_{2,n}} $ を用いてデコherence効果をモデル化すること。
• 孤立系とデコherenceを含む両方のシナリオにおいて、実験データと数値結果を比較すること。
• qubitチェーンおよびラダー構造の両方におけるTMIダイナミクスの体系的分析を通じて、スクラッチング行動の差を明らかにすること。

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ける1次元qubitチェーンと2次元qubitラダー構造の間で、情報スクラッチングはどのように異なるか？
• RQ2 デコherenceは、実験的量子系における観測されたエンタングルメントエントロピーダイナミクスにどの程度影響を与えるか？
• RQ3 三部集合相互情報量の実験的測定は、異なる量子アーキテクチャにおいて明確に異なるスクラッチングダイナミクスを明らかにできるか？
• RQ4 デコherenceを含むLindbladマスター方程式シミュレーションは、実験的エンタングルメントエントロピー発展をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 三部集合相互情報量（TMI）のダイナミクスから、qubitラダー構造はqubitチェーンと比較して、より速く顕著な情報スクラッチングを示した。
• 実験的エンタングルメントエントロピーデータは、孤立系のシミュレーションよりも、デコherence効果を含む数値シミュレーションとより良好に一致した。
• qubit Bにおける初期の有限なエンタングルメントエントロピーは、CNOTゲートによる局所的情報符号化を確認しており、qubit Q1とQ2の間の初期エンタングルメントを示している。
• デコherenceが存在するにもかかわらず、エンタングルメントエントロピーの全体的な非平衡的挙動は頑健であり、TMIにおける明確なスクラッチングシグネチャーが保持された。
• デコherence効果を含む数値シミュレーションは、実験的エンタングルメントエントロピーの減衰を正確に再現しており、モデルの予測能力を裏付けた。
• チェーンおよびラダー構造の両方における実験的TMIデータには明確な差が認められ、2次元ラダー構造における強いスクラッチングが確認された。