[논문 리뷰] Observation of thermalization and information scrambling in a superconducting quantum processor

Qingling Zhu, Zheng‐Hang Sun외 23명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 20.

Quantum many-body systems인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 12 큐비트 시스템을 사용하여 초전도 큐비트 프로세서에서 열화 및 정보 스캐러밍을 실험적으로 입증한다. 얽힘 엔트로피와 삼중 상호정보(TMI)를 측정함으로써 저자들은 큐비트 래더가 큐비트 체인보다 더 빠른 정보 스캐러밍과 더 강한 열화를 보임을 관찰한다. 디코herence 효과는 리드블라드 마스터 방정식 시뮬레이션을 통해 정량적으로 고려되었으며, 이는 실험 데이터와의 일치도를 향상시켰다.

ABSTRACT

Understanding various phenomena in non-equilibrium dynamics of closed quantum many-body systems, such as quantum thermalization, information scrambling, and nonergodic dynamics, is a crucial for modern physics. Using a ladder-type superconducting quantum processor, we perform analog quantum simulations of both the $XX$ ladder and one-dimensional (1D) $XX$ model. By measuring the dynamics of local observables, entanglement entropy and tripartite mutual information, we signal quantum thermalization and information scrambling in the $XX$ ladder. In contrast, we show that the $XX$ chain, as free fermions on a 1D lattice, fails to thermalize, and local information does not scramble in the integrable channel. Our experiments reveal ergodicity and scrambling in the controllable qubit ladder, and opens the door to further investigations on the thermodynamics and chaos in quantum many-body systems.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트 프로세서에서의 열화 및 정보 스캐러밍 역학을 조사하기 위해.
• 1차원 큐비트 체인과 2차원 큐비트 래더 아키텍처 간의 스캐러밍 행동을 비교하기 위해.
• 실험적 양자 시스템에서 디코herence가 얽힘 엔트로피 역학에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 초전도 큐비트 프로세서에서의 실험 데이터를 사용하여 이론적 예측된 정보 스캐러밍을 검증하기 위해.

제안 방법

• 12 큐비트 초전도 프로세서에서 다양한 부분계의 바나흐 엔트로피 시간 진화를 측정하기 위해.
• 부분계 엔트로피를 사용하여 삼중 상호정보(TMI)를 계산하여 정보 스캐러밍을 탐색하기 위해.
• 디코herence를 고려한 리드블라드 마스터 방정식을 사용하여 얽힘 엔트로피 역학을 수치 시뮬레이션하기 위해.
• 실험적으로 측정된 $ T^*_{2,n} $ 시간을 사용하여 $ \hat{C}_n = \hat{\sigma}^z_n / \sqrt{2T^*_{2,n}} $ 를 사용하여 디코herence 효과를 모델링하기 위해.
• 고립계와 디코herence를 포함한 경우의 실험 데이터를 수치 결과와 비교하기 위해.
• 스캐러밍 행동을 구분하기 위해 큐비트 체인 및 래더 구성에서 TMI 역학을 체계적으로 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 큐비트 프로세서에서 1차원 큐비트 체인과 2차원 큐비트 래더 간의 정보 스캐러밍은 어떻게 다를까?
• RQ2 디코herence는 실험적 양자 시스템에서 관측된 얽힘 엔트로피 역학에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 삼중 상호정보 측정을 통한 실험적 측정치는 서로 다른 양자 아키텍처에서 명확한 스캐러밍 역학을 드러내는가?
• RQ4 디코herence를 고려한 리드블라드 마스터 방정식 시뮬레이션은 실험적 얽힘 엔트로피 진화를 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 삼중 상호정보(TMI)의 역학에 따라 큐비트 래더는 큐비트 체인보다 더 빠르고 뚜렷한 정보 스캐러밍을 보인다.
• 실험적 얽힘 엔트로피 데이터는 고립계 시뮬레이션보다 디코herence 효과를 포함한 수치 시뮬레이션과 더 잘 일치한다.
• 큐비트 B의 초기 유한한 얽힘 엔트로피는 CNOT 게이트를 통한 국소적 정보 인코딩을 확인하며, 큐비트 Q1과 Q2 간의 초기 얽힘을 나타낸다.
• 디코herence가 존재하더라도 얽힘 엔트로피의 전반적인 비평형 행동은 강건하게 유지되며, TMI에서 스캐러밍 서명이 뚜렷하게 유지된다.
• 디코herence 효과를 포함한 수치 시뮬레이션은 실험적 얽힘 엔트로피 감쇠를 정확히 재현하여 모델의 예측 능력을 검증한다.
• 체인 및 래더 아키텍처에 대한 실험적 TMI 데이터는 명확한 차이를 보이며, 2차원 래더 구조에서 더 강한 스캐러밍을 확인한다.