[논문 리뷰] Observation of separated dynamics of charge and spin in the Fermi-Hubbard model

Frank Arute, Kunal Arya외 97명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 15.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 72인용 수 94

한 줄 요약

저자들은 16개의 초전도 큐비트에서 1D Fermi-Hubbard 모델을 시뮬레이션하여 고에너지 동역학에서 스핀-전하 분리를 시연하고, 회로 깊이를 확장하기 위해 Floquet 보정 및 오류 완화 기법을 도입했다.

ABSTRACT

Strongly correlated quantum systems give rise to many exotic physical phenomena, including high-temperature superconductivity. Simulating these systems on quantum computers may avoid the prohibitively high computational cost incurred in classical approaches. However, systematic errors and decoherence effects presented in current quantum devices make it difficult to achieve this. Here, we simulate the dynamics of the one-dimensional Fermi-Hubbard model using 16 qubits on a digital superconducting quantum processor. We observe separations in the spreading velocities of charge and spin densities in the highly excited regime, a regime that is beyond the conventional quasiparticle picture. To minimize systematic errors, we introduce an accurate gate calibration procedure that is fast enough to capture temporal drifts of the gate parameters. We also employ a sequence of error-mitigation techniques to reduce decoherence effects and residual systematic errors. These procedures allow us to simulate the time evolution of the model faithfully despite having over 600 two-qubit gates in our circuits. Our experiment charts a path to practical quantum simulation of strongly correlated phenomena using available quantum devices.

연구 동기 및 목표

• digital quantum processor에서 1D Fermi-Hubbard 모델의 시간 진화를 시연한다.
• 저에너지 이론을 넘어선 스핀과 전하 확산 속도 간의 분리를 관찰한다.
• entangling 게이트의 드리프트를 완화하기 위한 빠른 게이트 보정(Floquet 보정)을 개발하고 적용한다.
• 노이즈가 많은 양자 디바이스에서 usable 회로 깊이를 확장하기 위한 오류 완화 전략을 구현한다.

제안 방법

• 각 스핀 상태에 대해 Jordan-Wigner 변환을 통해 1D Fermi-Hubbard 해밀토니안을 큐비트에 매핑한다.
• 한 시간 단위를 구현하기 위해 5단계 게이트 시퀀스를 사용하는 Trotterization을 사용한다.
• 이동 및 상호작용 항을 실현하기 위해 K(θ) 계열의 native 두 큐비트 게이트와 CPHASE 유사 상호작용을 결합한다.
• Floquet 보정을 적용하여 얽힘 게이트 매개변수를 빠르게 특성화하고 보정한다.
• SPAM 및 코히런스 오류를 완화하기 위해 큐비트 배치 평균화와 들뜬 수에 대한 포스트선택을 사용한다.
• 수치 예측에 맞춰 감쇠된 실험 관측치를 재스케일링하여 신뢰할 수 있는 동역학을 회복한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1D Fermi-Hubbard 모델의 스핀 및 전하 밀도 역학이 디지털 양자프로세서에서 고도로 들뜬 상태에서 분리되는 것을 관찰할 수 있는가?
• RQ2 Floquet 보정 및 오류 완화 기법이 강한 상관 모델의 코히런트 시뮬레이션 깊이를 어떻게 확장하는가?
• RQ3 상호작용 강도는 이 설정에서 스핀과 전하의 상대 확산 속도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강하게 상호작용하는 구간(u = U/J ≥ 1)에서 스핀과 전하 밀도가 분리된 확산 속도를 보인다.
• 전하 밀도는 스핀 밀도보다 더 빨리 확산되어 경계에 더 빨리 도달한다.
• Floquet 보정은 SPAM 오류에 견고한 게이트 매개변수 특성화를 빠르고 정밀하게 수행하여 실행 가능한 회로 깊이를 대략 한 계수만큼 확장한다.
• 큐비트 배치 평균화와 포스트셀렉션, 재스케일링은 600개가 넘는 이웃 큐비트 게이트에도 불구하고 실험적으로 관찰된 동역학이 수치 예측과 일치하도록 한다.
• 비상호작용 및 상호작용 케이스의 차이는 모델 동역학 및 게이트 유발 페르가틱스의 기대와 일치한다.