[논문 리뷰] Experimental Realization of Spin Liquids in a Programmable Quantum Device

Shiyu Zhou, Dmitry Green외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 16.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 D-Wave DW-2000Q 장치를 사용하여 프ogrammable 양자 프로세서에서 스핀 액체 상태의 실험적 실현을 보여준다. 양자 앤날링을 활용하여, 저자들은 위상적 스핀 액체의 명확한 고전적 서식을 관측하였으며, 상업적 양자 하드웨어를 사용하여 오랫동안 찾던 양자 물질 상태를 관측한 데 있어 중요한 전환점이 되었다.

ABSTRACT

The advent of widely available computing power has spawned a whole research field that we now call computational physics. Today, we may be on the cusp of a similar paradigm shift as programmable qubit devices enable one to run experiments on a platform of actual physical quantum states. Here we use the commercially available D-Wave DW-2000Q device to build and probe a state of matter that has not been observed or fabricated before. The topological phase that we build has been widely sought for many years and is a candidate platform for quantum computation. While we cannot observe the full quantum regime due to the limitations of the current device, we do observe unmistakable signatures of the phase in its classical limit at the endpoint of the quantum annealing protocol. In the process of doing so, we identify additional features that a programmable device of this sort would need in order to implement fully functional topological qubits. It is a testament to technological progress that a handful of theorists can observe and experiment with new physics while being equipped only with remote access to a commercial device.

연구 동기 및 목표

• 프로그래밍 가능한 양자 프로세서를 사용하여 기이한 양자 상의 출현을 탐색하기 위해.
• 위상적 스핀 액체 상태를 실험적으로 실현하여, 고장 내성 양자 계산의 후보로 삼기 위해.
• 고전적 시뮬레이션을 초월하여 양자 다체계를 연구하기 위해 상용 양자 장치의 가능성을 탐구하기 위해.
• 프로그래밍 가능한 양자 하드웨어에서 기능적인 위상 큐비트로의 확장을 위한 핵심 요구 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 초전도 양자 앤날러인 D-Wave DW-2000Q를 사용하여 스핀 액체 기저 상태를 실현하기 위해 설계된 스핀 해밀토니언을 구현하기 위해.
• 아디아바틱 진화를 통해 목표 양자 상태를 준비하기 위해 양자 앤날링 프로토콜을 구현하기 위해.
• 앤날링 프로토콜의 끝에서 최종 고전적 출력 상태를 분석하여 위상적 스핀 액체 상의 서식을 탐지하기 위해.
• 원격 액세스를 통한 상용 양자 장치 사용을 통해 이론 물리학자들이 물리적 하드웨어 접근 없이도 실험적 양자 물리학을 수행할 수 있도록 하기 위해.
• 기능적인 위상 큐비트 실현을 위한 핵심 장치 수준의 특성, 예를 들어 향상된 코herence와 게이트 정밀도를 특정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용 양자 앤날링 장치가 위상적 스핀 액체 상을 실현하고 탐지할 수 있는가?
• RQ2 양자 앤날링 과정의 고전적 근처에서 스핀 액체의 측정 가능한 서식은 무엇인가?
• RQ3 현재 어떤 하드웨어 제약 요소들이 프로그래밍 가능한 양자 장치에서 기능적인 위상 큐비트의 완전한 실현을 방해하는가?
• RQ4 이론 물리학자들은 어떻게 원격 액세스를 통해 양자 프로세서를 활용하여 새로운 양자 상의 출현을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 양자 앤날링 프로토콜의 종료 지점에서 위상적 스핀 액체 상의 명확한 고전적 서식이 관측되었다.
• 실험은 프로그래밍 가능한 양자 장치를 사용하여 고전적 시뮬레이션으로는 접근이 어려웠던 기이한 양자 상을 탐지할 수 있음을 확인하였다.
• 결과는 원격 액세스를 통해 상용 양자 하드웨어를 활용하면 이론 물리학자들이 실제 양자 실험을 수행할 수 있음을 보여주었다.
• 기능적인 위상 큐비트를 실현하기 위해 필요한 핵심 하드웨어 개선 사항—예를 들어 향상된 코herence와 게이트 제어—를 이 연구가 규명하였다.