[論文レビュー] Quantum simulation of molecular vibronic spectra on a superconducting bosonic processor

Christopher S. Wang, Jacob C. Curtis+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2019

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ひとこと要約

この論文は、ガウス操作と高精度の1回測定 photon number-resolved 検出を用いて、分子振動・電子状態スペクトルの量子シミュレーションを実現する超伝導ボソン系プロセッサを示している。1モードあたり最大15光子を達成した。H₂O、O₃、NO₂、SO₂の振動・電子状態スペクトルの再プログラマブルなシミュレーションが可能であり、励起状態ダイナミクスのための非ガウス状態準備を組み合わせることで、超伝導回路がボソン系量子シミュレーションのスケーラブルなプラットフォームとして確立された。

ABSTRACT

The efficient simulation of quantum systems is a primary motivating factor for developing controllable quantum machines. For addressing systems with underlying bosonic structure, it is advantageous to utilize a naturally bosonic platform. Optical photons passing through linear networks may be configured to perform quantum simulation tasks, but the efficient preparation and detection of multiphoton quantum states of light in linear optical systems are challenging. Here, we experimentally implement a boson sampling protocol for simulating molecular vibronic spectra [Nature Photonics $ extbf{9}$, 615 (2015)] in a two-mode superconducting device. In addition to enacting the requisite set of Gaussian operations across both modes, we fulfill the scalability requirement by demonstrating, for the first time in any platform, a high-fidelity single-shot photon number resolving detection scheme capable of resolving up to 15 photons per mode. Furthermore, we exercise the capability of synthesizing non-Gaussian input states to simulate spectra of molecular ensembles in vibrational excited states. We show the re-programmability of our implementation by extracting the spectra of photoelectron processes in H$_2$O, O$_3$, NO$_2$, and SO$_2$. The capabilities highlighted in this work establish the superconducting architecture as a promising platform for bosonic simulations, and by combining them with tools such as Kerr interactions and engineered dissipation, enable the simulation of a wider class of bosonic systems.

研究の動機と目的

• 自然なボソン系を用いて、分子振動・電子状態スペクトルのスケーラブルな量子シミュレーションプラットフォームを開発すること。
• 超伝導回路を活用することで、線形光学系における多光子状態準備および検出の課題を克服すること。
• 非ガウス入力状態を用いて、分子の基底状態および励起振動状態の両方のシミュレーションを可能にすること。
• 1モードあたり最大15光子まで、高精度で1回測定による光子数分解能を達成し、スケーラビリティの重要な要件を満たすこと。
• H₂O、O₃、NO₂、SO₂を含む複数の分子種のスペクトルをシミュレートすることで、プラットフォームの再プログラマブル性を検証すること。

提案手法

• 分子振動・電子遷移を模倣するために、2つの超伝導モードでガウス操作を実装すること。
• 1モードあたり最大15光子まで分解能を確保できる、高精度で1回測定可能な光子数分解検出方式の開発。
• 振動励起状態にある分子系を模倣するために、非ガウス状態準備を用いること。
• 超伝導デバイス上で分子振動・電子状態スペクトルに特化したボソンサンプリングプロトコルの採用。
• 入力状態と操作を調整することで、異なる分子系のシミュレーションが可能な再プログラマブルなアーキテクチャの採用。
• 将来的なより広範なボソン系シミュレーションのためのパスとして、エンジニアド・ディスシペーションおよび Kerr 相互作用の統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導ボソン系プロセッサは、高精度かつスケーラブルに分子振動・電子状態スペクトルをシミュレートできるか？
• RQ2 超伝導プラットフォームで、1モードあたり最大15光子まで高精度で1回測定可能な光子数分解能をどのように達成できるか？
• RQ3 非ガウス入力状態を用いて、振動励起状態にある分子の振動・電子状態スペクトルをシミュレートできるか？
• RQ4 このプラットフォームは、H₂O、O₃、NO₂、SO₂などの多様な分子系をシミュレートするために再プログラマブルか？
• RQ5 超伝導回路は、より広いクラスのボソン系量子系をシミュレートするためのスケーラブルなプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• 超伝導プロセッサは、1モードあたり最大15光子まで高精度で1回測定可能な光子数分解能を達成した。これは、いかなるプラットフォームでも初めての成果である。
• 再プログラマブルな入力状態とガウス操作を用いて、H₂O、O₃、NO₂、SO₂の振動・電子状態スペクトルが正常にシミュレートされた。
• 非ガウス状態準備により、振動励起状態にある分子系のシミュレーションが可能になった。
• 高精度な検出と再プログラマブルな操作の統合を通じて、スケーラビリティが実証された。
• 結果として、将来的に Kerr 相互作用およびエンジニアド・ディスシペーションを統合することで、超伝導アーキテクチャがボソン系量子シミュレーションの有望なプラットフォームであることが確立された。