[논문 리뷰] A randomized measurement toolbox for an interacting Rydberg-atom quantum simulator

Simone Notarnicola, Andreas Elben외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 상호작용하는 라이드버그 원자 양자 시뮬레이터에서 양자 다체 상태를 탐사하기 위한 랜덤 측정 도구상자를 제시한다. 특별히 시간에 따라 변화하는 전역 마이크로파 드라이브와 국소적인 빛 이동을 통해 국소적인 랜덤 유니터리 회전을 구현함으로써, 저자들은 상태 순도와 해밀토니안 분산의 효율적 추정을 가능하게 하였으며, 일차원 SSH 모형과 순간적 외부장에 의해 자극된 XY 체인과 같은 실제 플랫폼에서의 실험적 불완전성에도 강건함을 입증하였다.

ABSTRACT

We present a toolbox to probe quantum many-body states implemented on Rydberg-atoms quantum hardware via randomized measurements. We illustrate the efficacy of this measurement toolbox in the context of probing entanglement, via the estimation of the purity, and of verifying a ground-state preparation using measurements of the Hamiltonian variance. To achieve this goal, we develop and discuss in detail a protocol to realize independent, local unitary rotations. We benchmark the protocol by investigating the ground state of the one-dimensional SSH model, recently realized on a chain of Rydberg atom, and the state resulting after a sudden quench in a staggered XY chain. We probe the robustness of our toolbox by taking into account experimental imperfections, such as pulse fluctuations and measurement errors.

연구 동기 및 목표

• 상호작용하는 라이드버그 원자 양자 시뮬레이터에서 얽힘을 탐사하고 기저 상태 준비를 검증하기 위한 측정 도구상자를 개발하기 위해.
• 강력하고 피할 수 없는 원자 간 상호작용이 존재하는 상황에서도, 무차별적인 측정을 통해 양자 다체 상태의 특성을 특성화하기 위해.
• 기존 실험 하드웨어와 호환되는 독립적이고 국소적인 단일 큐비트 유니터리 회전을 설계하고 구현하기 위해.
• 실제 모델, 즉 일차원 SSH 모형과 순간적 불균형 XY 체인에서 실질적인 실험 노이즈 조건 하에서 도구상자의 성능을 평가하기 위해.
• 펄스 변동성과 측정 오류에 대한 방법의 강건성을 검증하여 현재의 양자 시뮬레이터에서 실용적으로 적용 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 라이드버그 큐비트에서 시간에 따라 변화하는 전역 마이크로파 드라이브와 국소적 빛 이동을 사용하여 국소적인 랜덤 단일 큐비트 회전을 통해 랜덤 측정을 구현하기 위해.
• 클래식적 그 sombres 형식을 사용하여 밀도 행렬을 추정하고 순도 및 해밀토니안 분산과 같은 물리적 관측량을 추출하기 위해.
• 각 큐비트에 대해 독립적인 국소 유니터리를 동시에 적용함으로써, 프로토콜의 지속 시간이 시스템 크기와 무관하게 유지되도록 하기 위해.
• 랜덤 유니터리 회로에 대한 측정 통계로부터 양분할 부분계의 밀도 행렬의 제곱의 트레이스를 통해 이중 부분계의 순도를 추정하기 위해.
• 같은 랜덤 측정 프레임워크를 사용하여 목표 상태에서 해밀토니안의 분산을 측정함으로써 기저 상태 준비의 정확성을 검증하기 위해.
• 펄스 변동성과 측정 오류와 같은 실질적인 노이즈 모델을 포함한 수치 시뮬레이션을 통해 프로토콜을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상호작용을 끄지 못하는 상호작용 라이드버그 원자 양자 시뮬레이터에서 랜덤 측정이 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 실험적 노이즈 상황에서 무작위 측정을 통해 양자 다체 상태의 순도를 얼마나 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ3 해밀토니안 분산이 무차별적인 방식으로 기저 상태 준비를 검증하는 데 얼마나 유용한가?
• RQ4 현행 실험 플랫폼에서 펄스 변동성과 측정 오류에 대해 랜덤 측정 프로토콜의 강건성은 어느 정도인가?
• RQ5 이 도구상자는 불균형 XY 체인에서 급격한 외부장 자극 이후의 비평형 동역학을 탐사하는 데 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 랜덤 측정 도구상자는 라이드버그 플랫폼에서 수백 개의 큐비트까지의 다체 상태에서 두 번째 레니이 엔트로피(순도를 통한 추정)를 정확하게 추정할 수 있다.
• 펄스 변동성과 측정 오류와 같은 실질적인 실험적 불완전성 조건 하에서도 상태 순도의 강건한 추정이 달성된다.
• 해밀토니안 분산 측정은 기저 상태 준비를 확인하는 신뢰할 수 있는 서명을 제공하며, SSH 모형에서 목표 상태와 높은 허용도를 유지한다.
• 로컬 유니터리 회전이 동시에 적용되므로 측정 시간 측면에서 확장성이 입증되었으며, 이는 시스템 크기와 무관하다.
• 일차원 SSH 모형과 순간적 외부장에 의해 자극된 XY 체인에 대한 수치적 벤치마킹 결과는 방법의 정확성과 노이즈에 대한 내성에 대한 확인을 제공한다.
• 이 도구상자는 라이드버그 양자 시뮬레이터에서 현재 사용 중인 도구, 예를 들어 광학 트랩과 마이크로파 제어와 완전히 호환되어 직접 구현이 가능하다.