[論文レビュー] Stable Quantum-Correlated Many Body States through Engineered Dissipation

Xiao Mi, Alexios A. Michailidis+165 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2023

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、超伝導量子ビット上でエンタングルメントを含む多体状態を作製・安定化するための設計された消散を示し、長距離量子相関と非平衡輸送現象を明らかにしている。

ABSTRACT

Engineered dissipative reservoirs have the potential to steer many-body quantum systems toward correlated steady states useful for quantum simulation of high-temperature superconductivity or quantum magnetism. Using up to 49 superconducting qubits, we prepared low-energy states of the transverse-field Ising model through coupling to dissipative auxiliary qubits. In one dimension, we observed long-range quantum correlations and a ground-state fidelity of 0.86 for 18 qubits at the critical point. In two dimensions, we found mutual information that extends beyond nearest neighbors. Lastly, by coupling the system to auxiliaries emulating reservoirs with different chemical potentials, we explored transport in the quantum Heisenberg model. Our results establish engineered dissipation as a scalable alternative to unitary evolution for preparing entangled many-body states on noisy quantum processors.

研究の動機と目的

• 消散性のレポーザが多体系を、量子シミュレーションに有用な相関的な定常状態へ導くことができることを示す。
• 系サイズをまたいだ長距離の量子相関と非自明な基底状態適合度のスケーリングを示す。
• 異なる化学ポテンシャルを持つレジデンスへ系を結合することによる非平衡輸送を探る。
• スケーラビリティとロバスト性において、消散的準備がユニタリ状態準備を上回ることの根拠を提供する。

提案手法

• TFIMの低エネルギー状態へ向けた消散冷却を実装するため、L個の系量子ビットに接続されたM個の消散補助量子ビットを用いる。
• XX/YY型およびZ回転から構成されるサイクル単位演算Uを用いたFloquet様の進化を実装する周期的量子回路を用いる。
• 角度thetaを持つ部分iSWAPゲートを介して系-レジレーション結合g_saを調整し、補助エネルギーをZ^hゲートで調整する。
• 冷却状態を安定化させる自律的フィードバックループを実現するため、周期的に補助系をリセットする。
• 量子状態トモグラフィーと1RDMの純化によって状態を特徴づけ、基底状態適合度を推定する。
• 相互情報量と非局所相関子を測定して、最近接近以外の量子相関を診断する。

Figure 1: Illustration of a process which cools a many-body system (green dot) to its ground state via a dissipative reservoir, represented by $M$ auxiliary two-level systems (orange dot).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 設計された消散が、スケーラブルな超導量子処理系においてエンタングルされた多体状態を作製・安定化できるか。
• RQ2 TFIM基底状態/低エネルギー状態に対する定常状態適合度が、1Dおよび2Dジオメトリで系サイズとともにいかにスケールするか。
• RQ3 定常状態においてどのような非局所的量子相関（およびエンタングルメントの測定）が現れ、基底状態の期待値とどう比較されるか。
• RQ4 異なる化学ポテンシャルを持つレジームへの結合がXXZのようなスピンモデルにおける非平衡輸送をどのように駆動するか。

主な発見

• 定常状態エネルギー E/E0 は d>50 の場合、1D反強磁性相で0.7から、パラ磁性相で0.8の範囲。
• 臨界点 g/J=1.0 で純化された1RDMとの基底状態適合度は0.92（L=6）、0.90（L=12）、0.86（L=18）である。
• 1D TFIM定常状態では最近接近偶（コンコランス）は約0.1に安定化する。
• 非局所量子相関量C_qは反強磁性領域で境界モードの相関を示し、臨界点でべき乗則減衰を示し、基底状態の挙動を反映する。
• 2D TFIM（35量子ビット、14補助）では、臨界点 g/J=1.5 で E/E0 = 0.58、長距離相互情報が最近傍を超えた相関定常状態を示す。
• 境界駆動フーリエクトXXZを用いて、実験は易平面での弾道輸送、易軸で絶縁体様挙動、等方点で約 -2/3 のべース拡散の非平衡輸送 regime を示す。

Figure 2: Dissipative cooling and stabilization of a 1D TFIM. (A) A periodic quantum circuit used to implement dissipative cooling on a quantum processor. Here the $XX(J)$ and iSWAP( $\theta$ ) gates are composed from tunable CPHASE and fermionic simulation (fSim) gates [ 13 ] . (B) $E/E_{0}$ as a f