[논문 리뷰] Experimental Realization of a Measurement-Induced Entanglement Phase Transition on a Superconducting Quantum Processor

Jin Ming Koh, Shining Sun외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 08.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 중회로 사영 측정을 사용하여 초전도 양자 프로세서에서 측정에 의해 유도된 양자 얽힘 상전이를 실험적으로 입증한다. 측정 빈도를 조절함으로써 부피 법칙과 면적 법칙에 따른 얽힘 스케일링 간의 전이를 관찰하였으며, 임계 지수를 추출한 데이터 콜라프스를 통해 임계 행동을 확인함으로써, 근처 양자 하드웨어에서 동적 양자 상을 탐색하는 데 있어 핵심적인 진전을 이룬다.

ABSTRACT

Ergodic quantum many-body systems undergoing unitary dynamics evolve towards increasingly entangled states characterized by an extensive scaling of entanglement entropy with system volume. At the other extreme, quantum systems repeatedly measured may be stabilized in a measurement eigenstate, a phenomenon known as the quantum Zeno effect. Recently, the intermediate regime in which unitary evolution is interspersed with quantum measurements has become of interest. Numerical studies have reported the existence of distinct phases characterized by volume- and area-law entanglement entropy scaling for infrequent and frequent measurement rates, respectively, separated by a critical measurement rate. The experimental investigation of these dynamic quantum phases of matter on near-term quantum hardware is challenging due to the need for repeated high-fidelity mid-circuit measurements and fine control over the evolving unitaries. Here, we report the realization of a measurement-induced entanglement transition on superconducting quantum processors with mid-circuit readout capability. We directly observe extensive and sub-extensive scaling of entanglement entropy in the volume- and area-law phases, respectively, by varying the rate of projective measurements. We further demonstrate phenomenological critical behavior of the transition by performing a data collapse for different system sizes. Our work paves the way for the use of mid-circuit measurement as an effective resource for quantum simulation on near-term quantum computers, for instance by facilitating the study of dynamic and long-range entangled quantum phases.

연구 동기 및 목표

• 근처의 초전도 양자 프로세서를 사용하여 구동된 양자 시스템에서 측정에 의해 유도된 양자 얽힘 상전이를 실험적으로 실현하기.
• 중회로 사영 측정의 빈도를 변화시켜 부피 법칙과 면적 법칙에 따른 얽힘 스케일링 간의 전이를 보여주기.
• 실험 데이터를 사용한 유한 체적 스케일링과 데이터 콜라프스를 통해 전이의 임계 행동을 검증하기.
• 중회로 측정을 동적 및 장거리 얽힌 상의 양자 시뮬레이션 도구로 활용할 수 있음을 입증하기.
• 여러 시스템 크기에서 얽힘 엔트로피 데이터의 수치적 피팅을 통해 임계 지수와 전이 점을 정량화하기.

제안 방법

• 벽돌무늬 패턴으로 배열된 두 층의 무작위 2 큐비트 게이트와 각 시간 단계에서의 확률적 사영 측정을 포함한 하이브리드 무작위 양자 회로 모델을 사용하였다.
• 초전도 큐비트를 사용하여 마이크로초 이내의 독립된 읽기 능력(~750 ns)을 갖춘 중회로 측정을 구현하여 반복적인 고정밀 측정을 가능하게 하였다.
• 양자 얽힘 생성에 편향이 생기지 않도록 무작위 단일 큐비트 회전과 무작위 방향의 CX 게이트를 사용하였다.
• 측정된 얽힘 엔트로피를 추출하기 위해 일부 큐비트에 대해 양자 상태 단층 촬영을 수행하였으며, 부분 밀도 행렬을 사용하여 Rènyi 엔트로피를 계산하였다.
• 유한 체적 스케일링을 위해 임계 지수 γ와 ν를 사용하여 얽힘 엔트로피와 측정 빈도를 재스케일링하여 L=5에서 L=8까지의 다양한 시스템 크기에서 데이터를 콜라프스시켰다.
• 손실 함수 R(γ,ν)를 최소화하기 위해 대칭적이고 격자 기반의 검색 및 기울기 최적화 방법을 사용하였으며, 오차 추정치는 1% 수준에서 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중회로 측정 기능을 갖춘 초전도 양자 프로세서에서 측정에 의해 유도된 양자 얽힘 상전이를 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 낮은 측정 빈도 영역에서는 관측된 얽힘 엔트로피가 광범위하게 스케일링되고, 높은 측정 빈도 영역에서는 부분 광범위하게 스케일링되는가?
• RQ3 다양한 시스템 크기에서의 데이터 콜라프스를 통해 전이가 임계 행동을 특징으로 하는가?
• RQ4 양자 얽힘 전이에 대해 실험적으로 추출된 임계 지수 γ와 ν는 무엇인가?
• RQ5 유한 체적 효과와 다른 추정 방법에 대해 임계 측정 빈도 p*는 얼마나 강인한가?

주요 결과

• 측정 빈도 p를 변화시킴으로써 부피 법칙에서 면적 법칙으로의 얽힘 스케일링 전이가 성공적으로 관측되었으며, 낮은 p에서는 얽힘 엔트로피가 광범위하게 스케일링되고, 높은 p에서는 부분 광범위하게 스케일링됨을 확인하였다.
• L=5일 때 p* ≈ 0.25에서 얽힘 엔트로피 분산의 피크가 관측되어 임계점에 대한 初기 증거를 제공하였으며, 이는 이론적 예측과 일치하였다.
• L=5에서 L=8까지의 다양한 시스템 크기에서의 데이터 콜라프스를 통해 임계 행동이 확인되었으며, 최적 피팅을 통한 임계 지수는 γ₀ ≈ 0.58 및 ν₀ ≈ 1.48로 도출되었다.
• 열역학적 한계로의 외삽을 통해 임계 측정 빈도는 p* ≈ 0.22로 추정되었으며, 추정 방법에 대해 강인함을 보였다.
• 손실 함수 최소화 절차에서 보수적인 오차 추정치를 얻었으며, δγ ≈ ±0.12 및 δν ≈ ±0.25로 나타나 스케일링 행동의 신뢰할 수 있는 피팅이 가능함을 시사하였다.
• 본 연구는 초전도 하드웨어에서 중회로 측정를 활용하여 복잡한 양자 상전이를 탐색할 수 있음을 보여주었으며, 향후 동적 및 장거리 얽힌 상의 연구를 가능하게 한다.