[论文解读] Observation of separated dynamics of charge and spin in the Fermi-Hubbard model

Frank Arute, Kunal Arya+97 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 72被引用 94

一句话总结

作者在16个超导量子比特上模拟1D费米-哈特模型，展示在高激发动态中的自旋-电荷分离，并引入 Floquet 标定和误差抑制技术以扩展电路深度。

ABSTRACT

Strongly correlated quantum systems give rise to many exotic physical phenomena, including high-temperature superconductivity. Simulating these systems on quantum computers may avoid the prohibitively high computational cost incurred in classical approaches. However, systematic errors and decoherence effects presented in current quantum devices make it difficult to achieve this. Here, we simulate the dynamics of the one-dimensional Fermi-Hubbard model using 16 qubits on a digital superconducting quantum processor. We observe separations in the spreading velocities of charge and spin densities in the highly excited regime, a regime that is beyond the conventional quasiparticle picture. To minimize systematic errors, we introduce an accurate gate calibration procedure that is fast enough to capture temporal drifts of the gate parameters. We also employ a sequence of error-mitigation techniques to reduce decoherence effects and residual systematic errors. These procedures allow us to simulate the time evolution of the model faithfully despite having over 600 two-qubit gates in our circuits. Our experiment charts a path to practical quantum simulation of strongly correlated phenomena using available quantum devices.

研究动机与目标

• 在数字量子处理器上演示1D费米-哈特模型的时间演化。
• 观察在远超低能理论范围的电荷和自旋扩散速度的分离。
• 开发并应用快速门标定（Floquet 标定）以抑制纠缠门的漂移。
• 实现误差抑制策略，以在嘈杂量子设备中扩展可用电路深度。

提出的方法

• 通过 Jordan-Wigner 变换将1D费米-哈特哈密顿量映射到每个自旋态的量子比特。
• 使用5级门序列的 Trotter 化来实现一个演化时间步。
• 采用原生两量子比特门族 K(θ) 结合类似 CPHASE 的相互作用来实现跃迁和相互作用项。
• 应用 Floquet 标定以快速表征并修正纠缠门参数。
• 使用量子比特分配平均和对激发数的后选来缓解 SPAM 和去相干误差。
• 将衰减的实验观测结果按数值预测重新缩放，以恢复真实动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在数字量子处理器上，1D费米-哈特模型中自旋和电荷密度的动力学是否在高激发态区域表现出分离？
• RQ2 Floquet 标定和误差抑制技术如何扩展强相关模型的相干模拟深度？
• RQ3 相互作用强度对本设置中自旋和电荷的相对扩展速度有何影响？

主要发现

• 在强相互作用区间（u = U/J ≥ 1），自旋和电荷密度呈现分离的扩散速度。
• 电荷密度扩散得比自旋密度更快并且更早到达边界。
• Floquet 标定实现对门参数的快速、精确表征，对 SPAM 错误具有鲁棒性，使可行的电路深度大约扩展一个数量级。
• 量子比特分配平均加后选和重新缩放使实验观测的动力学与数值预测一致，尽管使用了>600个两量子比特门。
• 非相互作用与相互作用情形的差异与模型动力学和门诱导寄生效应的预期一致。