[논문 리뷰] Noise-resilient Edge Modes on a Chain of Superconducting Qubits

Mi Xiao, Michael Sonner외 126명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 24.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실험적 및 이론적으로 초전도 큐비트 체인에서의 에지 모드가 위상적 보호 덕분에 소음에 강력하게 내성적임을 입증하며, 현실적인 소산 조건 하에서 메이저라나 연산자의 붕괴 시간이 크게 연장됨을 보여준다. 플로케트 엔지니어링 플랫폼을 활용하여 공학적 소산과 보존성 파괴 외부 힘을 도입함으로써, 저자들은 위상적 보호 덕분에 에지 모드가 위상 분리와 붕괴 조건에서도 안정됨을 입증하였으며, 텐서 네트워크 시뮬레이션과 실험 데이터 피팅을 통해 그 강건성을 검증하였다.

ABSTRACT

Inherent symmetry of a quantum system may protect its otherwise fragile states. Leveraging such protection requires testing its robustness against uncontrolled environmental interactions. Using 47 superconducting qubits, we implement the one-dimensional kicked Ising model which exhibits non-local Majorana edge modes (MEMs) with $\mathbb{Z}_2$ parity symmetry. Remarkably, we find that any multi-qubit Pauli operator overlapping with the MEMs exhibits a uniform late-time decay rate comparable to single-qubit relaxation rates, irrespective of its size or composition. This characteristic allows us to accurately reconstruct the exponentially localized spatial profiles of the MEMs. Furthermore, the MEMs are found to be resilient against certain symmetry-breaking noise owing to a prethermalization mechanism. Our work elucidates the complex interplay between noise and symmetry-protected edge modes in a solid-state environment.

연구 동기 및 목표

• 실제 소음 조건 하에서 초전도 큐비트 체인에서의 에지 모드의 위상적 보호를 입증하는 것.
• 드라이브된 양자 시스템에서 위상 분리와 붕괴가 메이저라나 연산자의 수명에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 실험적 및 이론적 방법을 사용하여 보존성 파괴 외부 힘 하에서 에지 모드의 안정성을 평가하는 것.
• 유한한 보드 차원을 가진 영향 매트릭스 방법을 개발하고, 이를 열린 양자 다체역학 시뮬레이션에 적용하는 것.

제안 방법

• 위상적 보호 시스템을 실현하기 위해 공학적 소산을 포함한 플로케트 드라이브된 초전도 큐비트 체인을 사용하였다.
• 시간 진동수 채널을 유니터리 진동수 이후 국소적 소산으로 근사함으로써 열린 양자 역학을 시뮬레이션하기 위해 영향 매트릭스(IM) 방법을 적용하였다.
• 유한한 보드 차원(χ=128, 192)에서 행렬 곱집합 상태(MPS) 압축을 사용하여 시간 상관 함수를 효율적으로 계산하기 위해 텐서 네트워크 수축을 사용하였다.
• 실험 데이터 피팅과 이론 예측 검증을 위해 균일한 위상 분리(γϕ) 및 붕괴(γd) 매개변수를 가정하였다.
• 각 플로케트 사이클 동안 균일한 자장 킥을 통해 보존성 파괴 외부 힘을 도입하여 강건성 테스트를 수행하였다.
• 12큐비트 장치에서의 실험 측정값과 이론적 피팅의 일치를 비교하여 시뮬레이션 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 큐비트 체인에서의 메이저라나 연산자의 수명은 결합 강도 g와 소산 매개변수 γϕ 및 γd에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 드라이브된 열린 양자 시스템에서 위상적 에지 모드는 위상 분리와 붕괴에 얼마나 강건한가?
• RQ3 보존성 파괴 외부 힘이 에지 모드의 안정성과 메이저라나 연산자의 붕괴 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 유한한 보드 차원을 가진 영향 매트릭스 방법은 이 시스템에서 소산 다체역학을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 시간적 얽힘은 열린 양자 시스템의 텐서 네트워크 시뮬레이션 효율성에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• g ≥ 0.8일 경우 메이저라나 연산자의 붕괴 시간이 강력한 내성성을 보이며, 실험 데이터는 γϕ=0.01 및 γd=0.0046를 가정한 이론 모델에 잘 맞는다.
• 그림 18의 이론적 피팅은 g ≥ 0.8일 경우 붕괴 시간이 거의 일정하게 유지됨을 확인하여, 소음 하에서도 위상적 보호가 작용함을 입증한다.
• 보존성 파괴 외부 힘은 g < 0.8일 경우에만 붕괴 시간을 감소시키며, 이는 고g 영역에서 위상적 보호가 강건함을 시사한다.
• MPS 압축을 사용한 영향 매트릭스 방법은 열린 양자 역학의 효율적 시뮬레이션을 가능하게 하며, χ=128 및 χ=192에서 수렴성이 확인되었다.
• 메이저라나 연산자 전개에 포함된 다중 스핀 상관 함수들이 동일한 붕괴 속도를 보이며, 에지 모드의 일관성에 기여한다.
• 소산은 시간적 얽힘을 감소시켜 텐서 네트워크 수축 과정의 효율성을 향상시킨다.