[논문 리뷰] Stable Quantum-Correlated Many Body States through Engineered Dissipation

Xiao Mi, Alexios A. Michailidis외 165명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 26.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

논문은 초전도 큐비트에서 설계된 소멸을 활용해 얽힘 다체 상태를 준비하고 안정화하며, 장거리 양자 상관관계 및 비평형 전달 현상을 드러낸다.

ABSTRACT

Engineered dissipative reservoirs have the potential to steer many-body quantum systems toward correlated steady states useful for quantum simulation of high-temperature superconductivity or quantum magnetism. Using up to 49 superconducting qubits, we prepared low-energy states of the transverse-field Ising model through coupling to dissipative auxiliary qubits. In one dimension, we observed long-range quantum correlations and a ground-state fidelity of 0.86 for 18 qubits at the critical point. In two dimensions, we found mutual information that extends beyond nearest neighbors. Lastly, by coupling the system to auxiliaries emulating reservoirs with different chemical potentials, we explored transport in the quantum Heisenberg model. Our results establish engineered dissipation as a scalable alternative to unitary evolution for preparing entangled many-body states on noisy quantum processors.

연구 동기 및 목표

• 소멸적 저수지가 다체 시스템을 양자 시뮬레이션에 유용한 상관된 정상상태로 이끌 수 있음을 보여준다.
• 장거리 양자 상관관계와 시스템 크기에 따른 비자명한 바닥상태 충실도(정확도) 스케일링을 시현한다.
• 다른 화학 포텐셜을 가진 저수지와 시스템의 결합을 통해 비평형 전달을 탐구한다.
• 소멸적 준비가 확장성과 견고성 면에서 유니타리 상태 준비보다 우수하다는 증거를 제공한다.

제안 방법

• TFIM의 저에너지 상태를 향한 소멸적 냉각을 구현하기 위해 L 시스템 큐비드에 연결된 M개의 소멸적 보조 큐비트를 사용한다.
• 주기적 양자 회로를 활용하여 XX/YY형 및 Z 회전을 이용해 사이클 유닛ary U로 플루에크(Floquet)와 유사한 진화를 구현한다.
• 각도 theta의 부분 iSWAP 게이트를 통해 시스템-저수지 결합 g_sa를 조정하고, Z^h 게이트로 보조 에너지를 조정한다.
• 주기적으로 보조 큐비트를 재설정하여 냉각 상태를 안정시키는 자율 피드백 루프를 구현한다.
• 양자 상태 토모그래피와 1RDM의 정화(purification)를 통해 상태를 특성화하고 바닥상태 충실도를 추정한다.
• 상호정보와 비국소 상관자를 측정하여 최근접 이웃을 넘어선 양자 상관을 진단한다.

Figure 1: Illustration of a process which cools a many-body system (green dot) to its ground state via a dissipative reservoir, represented by $M$ auxiliary two-level systems (orange dot).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소멸적 소용이 확장 가능한 초전도 양자 프로세서에서 얽힌 다체 상태를 준비하고 안정화할 수 있는가?
• RQ2 1D 및 2D 기하에서 TFIM 바닥/저에너지 상태에 대한 정상상태 충실도가 시스템 크기에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 정적 상태에서 나타나는 비국소 양자 상관(또는 얽힘 척도)은 무엇이며 그것이 바닥상태 기대값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 다른 화학 포텐셜을 가진 저수지에의 결합이 XXZ와 같은 스핀 모델에서 비평형 전달을 어떻게 이끄는가?

주요 결과

• 정상-상태 에너지 E/E0는 d>50에서 1D 반강자상 위상에서 0.7에서, 파라자성 위상에서 0.8까지이다.
• 임계점 g/J=1.0에서 정제된 1RDM으로 얻은 바닥상태 충실도는 L=6에서 0.92, L=12에서 0.90, L=18에서 0.86이다.
• 1D TFIM 정상 상태에서 최근접 이웃 간의 컨커런스는 약 0.1로 안정화된다.
• 비국소 양자 상관량 C_q는 반강자극 영역에서 모드(edge-mode) 상관을 보이고 임계점에서 거듭제곱 법칙으로 감소하여 바닥상태의 거동을 반영한다.
• 2D TFIM(35 큐비트, 14 보조)에서 E/E0 = 0.58이며 임계점 g/J=1.5에서 장거리 상호정보가 최근접 이웃을 넘어선 상관된 정상상태를 시사한다.
• 경계 주도 플로퀘(Floquet) XXZ를 이용한 실험은 에지리드(manager) 밖으로의 운반이 양계 운동(ballistic transport)처럼 보이고, 쉬운 축에서 절연체 같은 거동, 등방점에서 약 -2/3의 지수로 비확산 운송을 보이며, 새로운 비평형 전달 거 regime을 강조한다.

Figure 2: Dissipative cooling and stabilization of a 1D TFIM. (A) A periodic quantum circuit used to implement dissipative cooling on a quantum processor. Here the $XX(J)$ and iSWAP( $\theta$ ) gates are composed from tunable CPHASE and fermionic simulation (fSim) gates [ 13 ] . (B) $E/E_{0}$ as a f