[論文レビュー] Simulating a discrete time crystal over 57 qubits on a quantum computer

Philipp Frey, Stephan Rachel|arXiv (Cornell University)|May 14, 2021

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、現在の世代の量子コンピュータ上で、イジング相互作用、不純物、周期的駆動を有する57キュービットのスピン-1/2鎖における離散的時間結晶のシミュレーションを実現した。誤り低減技術を適用することで、部分調和応答における臨界揺らぎを通じて、時間結晶的状態から対称性破れのないダイナミクスへの遷移を観測し、これまでに到達できなかったより大きな系サイズへの相図の拡張に成功した。

ABSTRACT

We simulate the dynamics of a spin-1/2 chain with nearest neighbor Ising interactions, quenched disorder and periodic driving over 57 qubits on a current quantum computer. A transition between time crystalline behaviour and non-symmetry breaking dynamics is observed via critical fluctuations in the sub-harmonic frequency response of the system. We probe shorter time scales by implementing the Floquet unitary directly, as well as longer time scales by making use of an equivalent Hamiltonian description. In order to extract the signal from the noisy data produced by current quantum computer devices, we develop a strategy for error mitigation and show that the results are robust under variations of the parameters introduced in this scheme. Our findings are in agreement with previous numerical simulations but add larger system size data points to the phase diagram.

研究の動機と目的

• 不純物および周期的駆動を有する大規模な量子スピン系における時間結晶的挙動を調査すること。
• 57キュービットの系における時間結晶的状態と対称性破れのないダイナミクスの間の遷移を解明すること。
• ノイズの多い量子コンピュータのデータから意味のある信号を抽出するために、誤り低減戦略を開発・適用すること。
• これまでに実験的に達成されたよりも大きな系サイズへの離散的時間結晶の相図を拡張すること。
• 誤り低減パラメータの変化に対する観測されたダイナミクスのロバストネスを検証すること。

提案手法

• 系は、最近接スピン間のイジング相互作用とクエンチド不純物を有するスピン-1/2鎖としてモデル化され、周期的に駆動される。
• フロケ時間発展演算子を直接実装し、量子プロセッサ上で短時間ダイナミクスを調査する。
• デバイスのコherences限界を超える長時間ダイナミクスをシミュレートするために、同等のハミルトニアン記述が用いられる。
• 測定された部分調和応答信号のノイズを低減するため、特化した誤り低減戦略が適用される。
• 系の応答における臨界揺らぎを指標として、時間結晶的相転移を同定する。
• 誤り低減スキームのパラメータを変化させ、結果のロバストネスを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 57キュービットのスピン鎖において、周期的駆動と不純物が存在する条件下で、離散的時間結晶相が出現するか？
• RQ2 部分調和応答における臨界揺らぎは、時間結晶的状態と対称性破れのないダイナミクスの間の遷移をどのように示唆するか？
• RQ3 誤り低減技術は、ノイズの多い量子ハードウェアから時間結晶的シグナルを信頼性高く抽出できるか？
• RQ4 現在の量子デバイス上では、離散的時間結晶の相図はどの程度大きな系サイズまで拡張可能か？
• RQ5 誤り低減プロトコルのパラメータの変化に対しても、観測結果はロバストか？

主な発見

• 57キュービット系において、時間結晶的状態と対称性破れのないダイナミクスの間の遷移が、シミュレーションで成功裏に観測された。
• 部分調和応答における臨界揺らぎは、相転移を特定する信頼性の高い指標である。
• 誤り低減パラメータの変化に対しても結果がロバストであるため、抽出された信号の安定性が示された。
• 本研究は、これまでに到達できなかったより大きな系サイズにおける離散的時間結晶の相図に新たなデータポイントを提供した。
• フロケユニタリと同等ハミルトニアンの両方の実装により、短時間および長時間ダイナミクスの両方を調査可能となった。
• 結果は、先行する数値シミュレーションと整合的であり、現在の量子ハードウェア上での実験的手法の妥当性が裏付けられた。