[논문 리뷰] Quantum simulation of molecular vibronic spectra on a superconducting bosonic processor

Christopher S. Wang, Jacob C. Curtis외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 09.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 고성능 단일 스타일 포톤 수 해상도 검출과 가우시안 연산을 사용하여 분자의 진동-전자 스펙트럼을 양자 시뮬레이션하기 위한 초전도 보소닉 프로세서를 구현한다. 이 프로세서는 모드당 최대 15개의 포톤을 처리할 수 있으며, H₂O, O₃, NO₂, SO₂의 다양한 분자에 대해 재프로그래밍 가능한 진동-전자 스펙트럼 시뮬레이션을 가능하게 한다. 비가우시안 상태 준비를 통해 자극 상태에서의 동적 거동도 모의할 수 있으며, 초전도 회로가 보소닉 양자 시뮬레이션을 위한 확장 가능한 플랫폼으로서의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

The efficient simulation of quantum systems is a primary motivating factor for developing controllable quantum machines. For addressing systems with underlying bosonic structure, it is advantageous to utilize a naturally bosonic platform. Optical photons passing through linear networks may be configured to perform quantum simulation tasks, but the efficient preparation and detection of multiphoton quantum states of light in linear optical systems are challenging. Here, we experimentally implement a boson sampling protocol for simulating molecular vibronic spectra [Nature Photonics $ extbf{9}$, 615 (2015)] in a two-mode superconducting device. In addition to enacting the requisite set of Gaussian operations across both modes, we fulfill the scalability requirement by demonstrating, for the first time in any platform, a high-fidelity single-shot photon number resolving detection scheme capable of resolving up to 15 photons per mode. Furthermore, we exercise the capability of synthesizing non-Gaussian input states to simulate spectra of molecular ensembles in vibrational excited states. We show the re-programmability of our implementation by extracting the spectra of photoelectron processes in H$_2$O, O$_3$, NO$_2$, and SO$_2$. The capabilities highlighted in this work establish the superconducting architecture as a promising platform for bosonic simulations, and by combining them with tools such as Kerr interactions and engineered dissipation, enable the simulation of a wider class of bosonic systems.

연구 동기 및 목표

• 자연스럽게 보소닉인 시스템을 활용하여 분자의 진동-전자 스펙트럼을 위한 확장 가능한 양자 시뮬레이션 플랫폼을 개발한다.
• 선형 광학 시스템에서의 다중 포톤 상태 준비 및 검출 과제를 해결하기 위해 초전도 회로를 활용한다.
• 비가우시안 입력 상태를 사용하여 분자의 기초 상태와 자극 상태의 진동 상태를 모두 시뮬레이션할 수 있도록 한다.
• 모드당 최대 15개의 포톤까지 고성능 단일 스타일 포톤 수 해상도를 실현하여 확장성의 핵심 요구 조건을 충족시킨다.
• H₂O, O₃, NO₂, SO₂ 등의 다양한 분자 종을 대상으로 시뮬레이션을 수행함으로써 플랫폼의 재프로그래머블 성능을 검증한다.

제안 방법

• 분자의 진동-전자 전이를 시뮬레이션하기 위해 두 개의 초전도 모드에서 가우시안 연산을 구현한다.
• 모드당 최대 15개의 포톤까지 해상할 수 있는 고성능 단일 스타일 포톤 수 해상도 검출 기술을 개발한다.
• 비가우시안 상태 준비를 통해 분자의 진동 자극 상태에서의 시스템을 모의한다.
• 초전도 장치에서 분자의 진동-전자 스펙트럼에 특화된 보소 샘플링 프로토콜을 적용한다.
• 입력 상태와 연산을 조정함으로써 다양한 분자 시스템을 시뮬레이션할 수 있는 재프로그래머블 아키텍처를 구현한다.
• 향후 더 넓은 보소닉 시스템 시뮬레이션을 위한 길잡이로 엔지니어링된 고분산과 커르 상호작용을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 보소닉 프로세서는 고성능과 확장성으로 분자의 진동-전자 스펙트럼을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 모드당 최대 15개의 포톤까지 초전도 플랫폼에서 고성능 단일 스타일 포톤 수 해상도를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 비가우시안 입력 상태를 사용하여 분자의 진동 자극 상태에서의 스펙트럼을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 이 플랫폼은 H₂O, O₃, NO₂, SO₂와 같은 다양한 분자 시스템을 시뮬레이션하기 위해 재프로그래머블한가?
• RQ5 초전도 회로는 더 넓은 범위의 보소닉 양자 시스템을 시뮬레이션하기 위한 확장 가능한 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• 초전도 프로세서는 모드당 최대 15개의 포톤까지 고성능 단일 스타일 포톤 수 해상도 검출을 실현하였으며, 이는 어떤 플랫폼에서도 처음으로 이뤄진 성과이다.
• 재프로그래머블 입력 상태와 가우시안 연산을 통해 H₂O, O₃, NO₂, SO₂의 진동-전자 스펙트럼을 성공적으로 시뮬레이션하였다.
• 비가우시안 상태 준비 기술을 통해 진동 자극 상태에 있는 분자 집합의 동적 거동을 모의할 수 있었다.
• 고성능 검출과 재프로그래머블 연산 통합을 통해 플랫폼의 확장성을 입증하였다.
• 결과적으로 초전도 아키텍처가 보소닉 양자 시뮬레이션을 위한 유망한 플랫폼으로 자리매김하였으며, 향후 커르 상호작용과 엔지니어링된 고분산을 통한 확장이 가능할 것으로 기대된다.