[论文解读] Simulating a discrete time crystal over 57 qubits on a quantum computer

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

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 4

一句话总结

本研究在当前一代量子计算机上，对具有伊辛相互作用、无序性和周期性驱动的57量子比特自旋-1/2链实现了离散时间晶体的模拟。通过应用错误缓解技术，作者观察到通过亚谐波响应中的临界涨落，时间晶体与非对称性破缺动力学之间的相变，将相图扩展至此前无法达到的更大系统尺寸。

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.

研究动机与目标

• 研究具有无序性和周期性驱动的大规模量子自旋系统中的时间晶体行为。
• 探测57量子比特系统中时间晶体与非对称性破缺动力学之间的相变。
• 开发并应用错误缓解策略，从噪声量子计算机数据中提取有意义的信号。
• 将离散时间晶体的相图扩展至此前实验尚未达到的更大系统尺寸。
• 验证在错误缓解参数变化下观测到的动力学的鲁棒性。

提出的方法

• 系统建模为具有近邻伊辛相互作用和淬火无序的自旋-1/2链，并施加周期性驱动。
• 在量子处理器上直接实现弗洛凯幺正演化，以探测短时间动力学。
• 使用等效哈密顿量描述来模拟超出设备相干极限的长时间动力学。
• 应用定制化的错误缓解策略，以减少测量到的亚谐波响应信号中的噪声。
• 利用系统响应中的临界涨落作为识别时间晶体相变的特征。
• 测试错误缓解方案中的参数变化，以评估结果的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在周期性驱动和无序条件下，57量子比特自旋链中是否会出现离散时间晶体相？
• RQ2 亚谐波响应中的临界涨落如何表征时间晶体与非对称性破缺动力学之间的相变？
• RQ3 错误缓解技术能否可靠地从噪声量子硬件中提取时间晶体特征？
• RQ4 在当前量子设备上，离散时间晶体的相图如何扩展至更大系统尺寸？
• RQ5 在错误缓解协议参数变化下，观测结果是否具有鲁棒性？

主要发现

• 模拟成功观测到57量子比特系统中时间晶体与非对称性破缺动力学之间的相变。
• 亚谐波响应中的临界涨落可作为相变的可靠指标。
• 结果在错误缓解参数变化下保持鲁棒，表明提取信号的稳定性。
• 本研究为此前无法达到的更大系统尺寸的离散时间晶体相图提供了新的数据点。
• 同时实现弗洛凯幺正演化与等效哈密顿量，使短时间与长时间动力学均可被探测。
• 研究结果与先前的数值模拟一致，验证了当前量子硬件上实验方法的有效性。