[논문 리뷰] Observation of measurement-induced quantum phases in a trapped-ion quantum computer

Crystal Noel, Pradeep Niroula외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 10.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 30인용 수 24

한 줄 요약

트랩드 아이온 양자 컴퓨터를 이용한 측정 유도 전이에서 순수(pure) 및 코딩(mixed) 상을 실험적으로 보여주고, 두 상의 증거와 참조 큐비트 엔트로피 측정을 통한 초기 임계 거동을 제시합니다.

ABSTRACT

Many-body open quantum systems balance internal dynamics against decoherence from interactions with an environment. Here, we explore this balance via random quantum circuits implemented on a trapped ion quantum computer, where the system evolution is represented by unitary gates with interspersed projective measurements. As the measurement rate is varied, a purification phase transition is predicted to emerge at a critical point akin to a fault-tolerent threshold. We probe the "pure" phase, where the system is rapidly projected to a deterministic state conditioned on the measurement outcomes, and the "mixed" or "coding" phase, where the initial state becomes partially encoded into a quantum error correcting codespace. We find convincing evidence of the two phases and show numerically that, with modest system scaling, critical properties of the transition clearly emerge.

연구 동기 및 목표

• 감시된 양자 다체 동역학에서 측정 유도 상 전이를 동기 부여하고 구현합니다.
• 참조 큐비트를 순서 매개변수로 사용하여 순수(pure) 상태(빠르게 투사되는)와 혼합/코딩(codespace-보존) 상태를 구분합니다.
• 제한된 시스템 크기로 두 상에 대한 실험적 증거를 제시하고 보편적 임계 거동으로의 스케일링을 논의합니다.
• 피드백 및 측정 전략이 후선택(post-selection) 없이 확장 가능한 탐침을 가능하게 하는 방식을 탐구합니다.

제안 방법

• 15-이온 사슬에서 최대 13개의 Yb-171 이온에 유니터리 게이트와 교대로 배치된 프로젝티브 측정을 포함하는 임의 양자 회로를 구현합니다.
• 시스템과 얽힌 참조 큐비트를 사용하여 혼합 상에서 코드스페이스의 존재 여부와 순수 상에서의 부재를 테스트합니다.
• 혼합 유니타리 뒤에 무작위 XX(pi/4) 게이트와 확률적 중간 회로 측정을 사용하여 정화(purification) 동역학을 구현합니다.
• X, Y, Z 기저로 토모그래피를 수행하고 피드백 기반의 해방 회로로 후선택하여 고전 엔트로피 S_C를 얻기 위해 참조 큐비트 엔트로피 S_Q를 측정합니다.
• 참조를 측정 보조계로부터 해리시키는 고전 피드백 회로를 추가하여 post-selection 없이 S_C에 임계치를 적용할 수 있도록 합니다.
• 고정 p=0.15에서 p_x와 L을 변화시키며 임의 회로의 집합을 분석하여 상도(diagram)를 구성하고 임계 거동을 추출하기 위한 유한-크기 스케일링을 수행합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위 유니타리 역학과 측정이 있는 트랩드 아이온 회로에서 측정 유도 정화 및 코딩 상이 나타나나요?
• RQ2 단일 참조 큐비트가 혼합 vs 순수 상의 특성인 코드스페이스의 존재 여부를 각각 드러낼 수 있나요?
• RQ3 전부-모두 연결된 임의 회로에서 정화 전이 근처의 유한-크기 신호와 스케일링 거동은 무엇인가요?
• RQ4 x-기저 측정(p_x)을 도입하는 것이 정화 전이와 그 보편성(class)에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 관측된 임계 특성(예: 동적 지수)이 근시권 이온 트랩 하드웨어와 보통의 시스템 크기로 가능한가요?

주요 결과

• 참조 큐비트 엔트로피 거동과 임계치가 부여된 고전 엔트로피 S_C에 의해 정화 전이에서 혼합/코딩 상과 순수 상 모두에 대한 증거를 제시합니다.
• 상도는 p 및 p_x이 낮은 구간에서 혼합 상을, 더 높은 p_x 또는 p에서 순수 상을 보이며, p=0.15에서 p_xc≈0.72(1)의 임계점이 시뮬레이션에서 나타납니다; L≤8의 실험 데이터 역시 시뮬레이션과 일치하는 상 분리를 보여줍니다.
• 유한-크기 스케일링은 임계 근처에서 S_Q의 후기 감소 τ가 L^{z}로 스케일링되고 z≈1/5에 수렴하는데, 이는 이 모든-대모드 설정에서의 평균-투과(percolation) 기대와 일치합니다.
• 참조 큐비트를 피드백으로 해리하는 실험적으로 확장 가능한 접근 방식은 포스트선택을 피하고 자원 필요를 줄여 두 상의 직접 관찰을 가능하게 합니다.
• XX 게이트 간섭 및 위상 잡음을 포함한 더 노이즈한 시뮬레이션은 더 큰 관찰 엔트로피를 설명하지만 작은 시스템 크기(L=4,6)에서도 혼합과 순수 구분이 명확하게 남아 있습니다.
• 식별된 임계 특성(z≈1/5, ν≈1/2)은 퍼콜레이션 기반 기대와 일치하며, 더 큰 시스템(L up to 32)으로 확장하고 더 깊은 임계 거동을 얻기 위해 공감 냉각(sympathetic cooling)을 사용할 계획이 있습니다.