[논문 리뷰] Simulating a discrete time crystal over 57 qubits on a quantum computer

Philipp Frey, Stephan Rachel|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 14.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 현재의 1세대 양자 컴퓨터에서 이sov고, 불규칙성, 주기적인 외부 자극이 가해진 57 큐비트 스핀-1/2 체인에서 이산 시간 결정의 시뮬레이션을 수행한다. 오차 보정 기법을 적용하여, 고조파 응답에서 임계 변동을 통해 시간 결정성과 비대칭성 파괴 동역학 사이의 전이를 관측하였으며, 이는 이전에 접근할 수 없었던 더 큰 시스템 크기로 단계도를 확장한다.

ABSTRACT

We simulate the dynamics of a spin-1/2 chain with nearest neighbor Ising interactions, quenched disorder and periodic driving over 57 qubits on a current quantum computer. A transition between time crystalline behaviour and non-symmetry breaking dynamics is observed via critical fluctuations in the sub-harmonic frequency response of the system. We probe shorter time scales by implementing the Floquet unitary directly, as well as longer time scales by making use of an equivalent Hamiltonian description. In order to extract the signal from the noisy data produced by current quantum computer devices, we develop a strategy for error mitigation and show that the results are robust under variations of the parameters introduced in this scheme. Our findings are in agreement with previous numerical simulations but add larger system size data points to the phase diagram.

연구 동기 및 목표

• 불규칙성과 주기적인 외부 자극이 가해진 대규모 양자 스핀 시스템에서 시간 결정성 행동을 탐구하기 위해.
• 57 큐비트 시스템에서 시간 결정성과 비대칭성 파괴 동역학 사이의 전이를 탐색하기 위해.
• 노이즈가 많은 양자 컴퓨터 데이터에서 의미 있는 신호를 추출하기 위해 오차 보정 전략을 개발하고 적용하기 위해.
• 이전에 실험적으로 달성한 것보다 더 큰 시스템 크기로 이산 시간 결정의 단계도를 확장하기 위해.
• 오차 보정 프로토콜의 파rameter 변화에 따른 관측된 동역학의 안정성 검증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 근처 이웃 스핀 간의 이징 상호작용과 고정된 불규칙성을 가진 스핀-1/2 체인으로 모델링된다. 주기적으로 자극을 가한다.
• 플로케트(unitary) 진화는 양자 프로세서에서 짧은 시간 동역학을 직접 탐색하기 위해 구현된다.
• 장시간 동역학을 장치의 코herence 한계를 넘어서 시뮬레이션하기 위해 등가 해밀토니안 기반 기술을 사용한다.
• 측정된 고조파 응답 신호의 노이즈를 줄이기 위해 맞춤형 오차 보정 전략을 적용한다.
• 시스템 응답의 임계 변동을 지표로 삼아 시간 결정성 단계 전이를 식별한다.
• 오차 보정 기법의 파rameter 변화를 시험하여 결과의 안정성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적인 자극과 불규칙성이 존재하는 57 큐비트 스핀 체인에서 이산 시간 결정 단계가 나타나는가?
• RQ2 고조파 응답의 임계 변동은 시간 결정성과 비대칭성 파괴 동역학 사이의 전이를 어떻게 신호로 나타내는가?
• RQ3 오차 보정 기법은 노이즈가 많은 양자 하드웨어에서 시간 결정성 신호를 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ4 현재의 양자 장치에서 이산 시간 결정의 단계도는 얼마나 큰 시스템 크기로 확장되는가?
• RQ5 오차 보정 프로토콜의 파rameter 변화에 대해 관측된 결과는 안정적인가?

주요 결과

• 57 큐비트 시스템에서 시간 결정성과 비대칭성 파괴 동역학 사이의 전이를 성공적으로 관측하였다.
• 고조파 응답의 임계 변동은 단계 전이의 신뢰할 수 있는 지표로 기능한다.
• 오차 보정 파rameter의 변화에 대해 결과가 안정적이며, 추출된 신호의 안정성을 시사한다.
• 이 연구는 이전에 접근할 수 없었던 더 큰 시스템 크기에서 이산 시간 결정의 단계도에 새로운 데이터 포인트를 제공한다.
• 플로케트 유니터리와 등가 해밀토니안의 구현을 통해 짧고 긴 시간 동역학을 모두 탐색할 수 있었다.
• 결과는 이전의 수치 시뮬레이션과 일치하여 현재의 양자 하드웨어에서 실험적 접근의 타당성을 검증한다.