[논문 리뷰] Many-body Hilbert space scarring on a superconducting processor

Pengfei Zhang, Hang Dong외 22명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 10.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 설계된 상호작용을 가진 조정 가능한 횡방향 자기장 이징 모델을 사용하여 초전도 양자 프로세서에서 다체 힐버트 공간 스카링을 실험적으로 구현한다. 수집적 디머라이즈드 초기 상태를 준비함으로써, 허점성과 불균형에서 지속적인 복귀가 관찰되며, 국소화된 고유상태가 동역학을 지배한다—특정 고유상태와의 제곱 중첩이 높다는 것으로 확인된다—비통합성, 비킥된 시스템에서 양자 다체 스카링의 존재를 확인하며, 양자 장치에서 열화를 억제할 길을 제시한다.

ABSTRACT

Quantum many-body scarring (QMBS) -- a recently discovered form of weak ergodicity breaking in strongly-interacting quantum systems -- presents opportunities for mitigating thermalization-induced decoherence in quantum information processsing. However, the existing experimental realizations of QMBS are based on kinetically-constrained systems where an emergent dynamical symmetry "shields" such states from the thermalizing bulk of the spectrum. Here, we experimentally realize a distinct kind of QMBS phenomena by approximately decoupling a part of the many-body Hilbert space in the computational basis. Utilizing a programmable superconducting processor with 30 qubits and tunable couplings, we realize Hilbert space scarring in a non-constrained model in different geometries, including a linear chain as well as a quasi-one-dimensional comb geometry. By performing full quantum state tomography on 4-qubit subsystems, we provide strong evidence for QMBS states by measuring qubit population dynamics, quantum fidelity and entanglement entropy following a quench from initial product states. Our experimental findings broaden the realm of QMBS mechanisms and pave the way to exploiting correlations in QMBS states for applications in quantum information technology.

연구 동기 및 목표

• 운동학적으로 제약된 모델을 초월하여 초전도 양자 프로세서에서 양자 다체 스카링(QMBS)을 실험적으로 구현하기 위해.
• 비통합성, 조정 가능한 스핀 체인에서 QMBS가 잠재적 동적 대칭성이 없는 조건에서 나타날 수 있는지 조사하기 위해.
• 허점성, 불균형 및 얽힘 엔트로피에서의 복귀 관측을 통해 스카링된 고유상태의 존재를 실험적으로 검증하기 위해.
• 상호작용 파ameters와 시스템 크기 변화에 대한 스카링의 강건성 특성 분석하기 위해.
• 단기 양자 하드웨어에서 약한 에르고딕성 붕괴를 연구할 수 있는 플랫폼 구축하기 위해.

제안 방법

• 12~30 큐비트의 초전도 프로세서에서 교차하는 자성(ferromagnetic, J_a)과 반자성(antiferromagnetic, J_e) 상호작용을 가진 1차원 횡방향 자기장 이징 모델을 설계한다.
• 스핀 순서 상태의 초위상으로 구성된 수집적 디머라이즈드 초기 상태 |Π⟩를 준비하여 스카링 동역학을 탐색한다.
• 복귀와 국소화를 탐지하기 위해 허점성, 스핀 불균형 및 4큐비트 얽힘 엔트로피의 시간에 따른 진화를 측정한다.
• 스카링 상태 동역학과 대조하기 위해 무작위 초기 제품 상태를 제어로 사용한다.
• |Π⟩와 고유상태 |E_n⟩ 사이의 제곱 중첩을 분석하여 주요 스카링 지지 고유상태를 식별한다.
• 상호작용 강도(J_a, J_e, J_x)와 시스템 크기(L=12에서 30)를 변화시켜 강건성과 척도 행동을 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비통합성, 비킥된 초전도 양자 프로세서에서 양자 다체 스카링을 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 잠재적 동적 대칭성이 없는 조건에서 수집적 디머라이즈드 초기 상태의 동역학을 스카링된 고유상태가 지배하는가?
• RQ3 무작위 초기 상태와 비교해 스카링 상태에서 허점성, 불균형 및 얽힘 엔트로피는 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 시스템 크기가 증가함에 따라 스카링 허점성과 고유상태와의 중첩은 어떻게 척도가 작용하는가?
• RQ5 상호작용 파ameters와 불순물 변화에 대해 스카링 동역학은 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 수집적 디머라이즈드 상태 |Π⟩는 최대 20ms까지 허점성과 불균형에서 지속적인 복귀를 보이며, 첫 번째 복귀에서 허점성이 약 0.8에 도달하여 강한 비열화 상태를 나타낸다.
• |Π⟩와 특정 고유상태 사이의 제곱 중첩은 특정 에너지 수준에서 날카로운 피크를 보이며, 힐베르트 공간 내 스카링된 고유상태의 존재를 확인한다.
• |Π⟩의 허점성 복귀는 무작위 초기 상태보다 훨씬 강력하며, 복귀 진폭에서 3~5배의 증폭이 관찰된다.
• |Π⟩의 얽힘 엔트로피는 시간이 지남에 따라 낮게 유지되며 약 1.2~1.5 ebits 수준을 유지한다. 이는 무작위 상태에서 관찰되는 급격한 증가와 대비된다. 이는 열화가 억제됨을 시사한다.
• 스카링 상태의 허점성은 힐베르트 공간 차원의 역수(1/D)로 척도가 작용하며, 1/L에 대한 거듭제곱 법칙 의존성과 일치하여 스카링 상태에 대한 이론적 예측을 뒷받침한다.
• L=12에서 L=30까지의 다양한 시스템 크기에서 일관된 복귀 패tern과 중첩 구조를 관찰하여, 이 효과가 척도화 가능하다는 것을 확인한다.