[논문 리뷰] Observation of strong and weak thermalization in a superconducting quantum processor

Fusheng Chen, Zheng‐Hang Sun외 23명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 17.

Quantum many-body systems참고 문헌 53인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 비통합성 있는 1차원 이징 유사 해밀토니안에서 다양한 초기 상태를 준비함으로써 12 큐비트 초전도 양자 프로세서에서 강한 열화와 약한 열화를 실험적으로 입증한다. 시간에 따라 변화하는 국소 물리량, 얽힘 엔트로피, 그리고 농도를 측정함으로써, 저자들은 강한 열화가 국소 물리량이 열적 값으로 수렴하는 데 기여하는 반면, 약한 열화는 시간 평균이 필요로 하는 지속적인 진동을 보임을 보여준다. 결과적으로, 얽힘 동역학은 열화 상태를 진단하는 데 핵심적인 요소로 규명된다.

ABSTRACT

We experimentally study the ergodic dynamics of a 1D array of 12 superconducting qubits with a transverse field, and identify the regimes of strong and weak thermalization with different initial states. We observe convergence of the local observable to its thermal expectation value in the strong-thermalizaion regime. For weak thermalization, the dynamics of local observable exhibits an oscillation around the thermal value, which can only be attained by the time average. We also demonstrate that the entanglement entropy and concurrence can characterize the regimes of strong and weak thermalization. Our work provides an essential step towards a generic understanding of thermalization in quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 비통합성 양자 다체계에서 강한 열화와 약한 열화를 실험적으로 관측하고 이를 구분하는 것.
• 초기 상태 준비 방식이 초전도 큐비트 어레이에서 열화 역학에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 얽힘 엔트로피와 농도가 열화 상태를 진단하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하는 것.
• 실제 양자 프로세서에서 디코herence에 의한 열화 서명의 강건성 평가.
• 초기 상태의 효과적 온도와 열적 평형 상태의 도래 사이의 연관성 설정.

제안 방법

• 마이크로파 드라이브를 통해 조절 가능한 근접 이웃 결합과 국소 횡방향 필드를 갖춘 1D 12 큐비트 초전도 트랜몬 큐비트 어레이를 실현하였다.
• XX+YY 스핀 모델에 횡방향 필드 항을 추가하여 비통합성 해밀토니안을 설계함으로써 에르고딕 역학 가능하게 하였다.
• 다양한 효과적 역온도 β에 해당하는 매개변수 공간 (θ₀, φ₀)에서의 초기 상태를 준비하였다.
• 시간에 따라 변화하는 양자 상태 단층 촬영을 수행하여 국소 물리량 〈σᶻ(t)〉, 얽힘 엔트로피(EE), 농도를 측정하였다.
• 리드블라드 마스터 방정식을 통해 디코herence가 포함되거나 포함되지 않은 수치 시뮬레이션을 수행하여 실험 데이터와 비교하였다.
• 역학적 위상 캘리브레이션을 통해 큐비트 간 동일한 초기 상태를 확보함으로써 재현 가능한 비평형 쿨링 역학을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 열화와 약한 열화는 초전도 양자 프로세서에서 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ2 효과적 역온도로 특징지어지는 다양한 초기 상태는 국소 물리량이 열적 값으로 수렴하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 얽힘 엔트로피와 농도는 강한 열화와 약한 열화 상태를 구분하는 신뢰할 수 있는 지표로 기능할 수 있는가?
• RQ4 실제 초전도 플랫폼에서 디코herence에 대한 열화 서명의 강건성은 어느 정도인가?
• RQ5 약한 열화에서 관측된 동역학은 장기적으로 열적 얽힘과 일치하는가?

주요 결과

• 강한 열화 상태에서 국소 물리량 〈σᶻ(t)〉는 열 기대값으로 수렴하며, 초기 상태 |π, 0⟩는 진동이 없음을 보였다.
• 약한 열화 상태에서 국소 물리량 〈σᶻ(t)〉는 열 값 주변에서 지속적인 진동을 보이며, 시간 평균을 거치지 않으면 수렴하지 않는다.
• 단일 큐비트 부분계의 얽힘 엔트로피(EE)는 강한 열화와 약한 열화를 명확히 구분하며, 강한 상태에서 더 높고 안정된 EE를 보였다.
• 근접 큐비트 간의 농도는 약한 열화 상태에서 유한한 값을 보였으며, Jβ ≈ −1.034에서 열적 얽힘과 일치하였다.
• 디코herence(T₁ ≈ 23.6 µs, T₂ ≈ 3.82 µs)를 포함한 수치 시뮬레이션은 EE와 농도 모두 실험 데이터와 양호한 일치를 보였다.
• 디코herence를 시뮬레이션에 포함했을 때 시간 평균된 얽힘 엔트로피가 실험 데이터와 가장 잘 일치하여, 디코herence가 실제 동역학에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 확인하였다.