[논문 리뷰] Fermionic quantum processing with programmable neutral atom arrays

Daniel González-Cuadra, Dolev Bluvstein외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 13.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 112인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 프로그래머블 중성 원자 어레이를 사용하여 하드웨어 수준에서 페르미 통계를 인코딩하는 하드웨어 효율적인 페르미온 양자 프로세서를 제안한다. 여기서 페르미온 원자들은 광학 트랩에 걸쳐 공명적으로 분포된 상태로 구현되며, 비국소적 터널링 게이트와 공간 스캐러빙을 통한 동적 불순물 보정을 통해 고해상도 양자 시뮬레이션을 가능하게 한다. 이로 인해 디코herence가 감소하고 분자의 시스템과 격자 게이지 이론의 높은 정밀도 양자 시뮬레이션을 달성할 수 있다.

ABSTRACT

Simulating the properties of many-body fermionic systems is an outstanding computational challenge relevant to material science, quantum chemistry, and particle physics. Although qubit-based quantum computers can potentially tackle this problem more efficiently than classical devices, encoding non-local fermionic statistics introduces an overhead in the required resources, limiting their applicability on near-term architectures. In this work, we present a fermionic quantum processor, where fermionic models are locally encoded in a fermionic register and simulated in a hardware-efficient manner using fermionic gates. We consider in particular fermionic atoms in programmable tweezer arrays and develop different protocols to implement non-local tunneling gates, guaranteeing Fermi statistics at the hardware level. We use this gate set, together with Rydberg-mediated interaction gates, to find efficient circuit decompositions for digital and variational quantum simulation algorithms, illustrated here for molecular energy estimation. Finally, we consider a combined fermion-qubit architecture, where both the motional and internal degrees of freedom of the atoms are harnessed to efficiently implement quantum phase estimation, as well as to simulate lattice gauge theory dynamics.

연구 동기 및 목표

• 큐비트 기반의 페르미온 시스템 양자 시뮬레이션에서 발생하는 자원 과잉 문제를 해결하기 위해 페르미온 통계를 하드웨어 수준에서 인코딩하는 것.
• 광학 트랩에 있는 중성 원자를 사용하여 강한 상관관계를 가진 페르미온 다체계의 확장 가능하고 고장 내성 있는 양자 시뮬레이션을 가능하게 하는 것.
• 소프트웨어 수준의 인코딩 없이도 페르미온 통계를 유지하는 비국소적 터널링과 라이드버그 매개 상호작용 기반의 게이트 세트를 개발하는 것.
• 디지털 및 변량 양자 시뮬레이션을 위한 효율적인 회로 분해법을 제시하고, 분자의 에너지 추정을 포함한 응용을 구현하는 것.
• 양자 위상 추정과 격자 게이지 이론의 동역학을 위한 하이브리드 페르미온-큐비트 아키텍처를 탐색하는 것.

제안 방법

• 페르미온 원자들이 여러 광학 트랩에 걸쳐 공명적으로 분포되어 비국소적 터널링을 가능하게 하면서도 하드웨어 수준에서 파울리 통계를 유지한다.
• 주기적으로 원자 위치를 순환 방식으로 스위칭함으로써 동적 불순물 보정 프로토콜을 구현하여 시간 상관된 위상 노이즈가 유한하게 유지되도록 한다.
• 이 프로토콜은 시간에 따라 변하는 불순물 해밀토니안 $ D_t = \sum_x h_{\sigma_t(x)} \hat{n}_x $ 를 사용하며, 여기서 $ \sigma_t(x) $ 는 시간 $ t $ 에서 원자 $ x $ 의 위치를 추적한다.
• 비국소적 터널링 게이트는 운동 웨이브함수의 제어된 중첩을 통해 실현되며, 효과적 터널링 항은 $ (c_i^† c_j)(t) = e^{-i\tau \sum_{t'\leq t}(h_{\sigma_{t'}(j)} - h_{\sigma_{t'}(i)})} c_i^† c_j $ 와 같이 표현된다.
• 이 시스템은 교대되는 불순물 및 목표 진화를 반복하는 플로케 주기로 운영되어 비균일한 위상 분산의 에코 유사 보정을 가능하게 한다.
• 운동 자유도와 내부 자유도를 모두 활용하여, 하이브리드 페르미온-큐비트 아키텍처를 통해 양자 위상 추정과 격자 게이지 이론의 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성 원자를 사용한 확장 가능한 양자 프로세서에서 페르미온 통계가 하드웨어 수준에서 유지될 수 있는가?
• RQ2 비국소적 터널링 게이트는 어떻게 실현할 수 있으며, 이는 페르미온 반대칭성을 유지하면서 디코herence를 최소화하는가?
• RQ3 공간 스캐러빙을 통한 동적 불순물 보정이 다체계에서 비균일한 트랩 포텐셜에 기인한 위상 분산을 억제할 수 있는가?
• RQ4 이 아키텍처는 분자의 에너지 스펙트럼과 격자 게이지 이론의 시뮬레이션에서 어떤 성능을 보이는가?
• RQ5 하이브리드 페르미온-큐비트 아키텍처는 양자 위상 추정과 게이지 이론의 시뮬레이션 효율성을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 동적 스캐러빙 프로토콜은 상대적 위상 노이즈가 시간이 지남에 따라 유한하게 유지됨을 보장하며, 이는 에코 없이 구현된 시스템과 달리 선형적으로 증가하지 않는다는 점에서 유리하다.
• 100개의 트랩과 1차원 고리 구조에서 20개의 원자를 사용한 시뮬레이션 결과, 가우시안 위상 불순물 ($ \sigma_\theta = 0.035 $) 과 시간 간격 $ \tau = 0.13 $ 에서도 높은 정밀도를 확보하였다.
• 순환 이동 전략은 각 오비탈이 모든 트랩 위치에서 동일한 시간을 차지하게 하여 트랩 깊이 변화에 대한 균일한 노출을 보장하고, 에코 성능을 향상시킨다.
• 이 방법은 디지털 및 변량 양자 시뮬레이션을 위한 효율적인 회로 분해법을 가능하게 하며, 게이트 깊이와 오차 누적가 감소된 상태에서 분자의 에너지 추정을 포함한 응용이 가능하다.
• 하이브리드 페르미온-큐비트 아키텍처는 운동 자유도와 내부 자유도를 모두 활용하여 양자 위상 추정과 격자 게이지 이론의 동역학 시뮬레이션을 효율적으로 수행할 수 있다.
• 이 접근법은 소프트웨어 수준의 페르미온 통계 인코딩에 따른 오버헤드를 피하므로, 제한된 큐비트 수와 공명 시간을 가진 근접한 양자 장치에 적합하다.