[论文解读] A randomized measurement toolbox for an interacting Rydberg-atom quantum simulator

Simone Notarnicola, Andreas Elben+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

本文提出了一套用于探测相互作用里德堡原子量子模拟器中量子多体态的随机测量工具箱。通过利用定制化的光频移和微波驱动实现局域随机酉旋转，作者实现了对态保真度和哈密顿量方差的高效估计，展示了在真实平台（如一维SSH模型和淬火XY链）中对实验缺陷的鲁棒性。

ABSTRACT

We present a toolbox to probe quantum many-body states implemented on Rydberg-atoms quantum hardware via randomized measurements. We illustrate the efficacy of this measurement toolbox in the context of probing entanglement, via the estimation of the purity, and of verifying a ground-state preparation using measurements of the Hamiltonian variance. To achieve this goal, we develop and discuss in detail a protocol to realize independent, local unitary rotations. We benchmark the protocol by investigating the ground state of the one-dimensional SSH model, recently realized on a chain of Rydberg atom, and the state resulting after a sudden quench in a staggered XY chain. We probe the robustness of our toolbox by taking into account experimental imperfections, such as pulse fluctuations and measurement errors.

研究动机与目标

• 开发一种用于探测相互作用里德堡原子量子模拟器中纠缠并验证基态制备的测量工具箱。
• 在存在强且不可避免的原子间相互作用的情况下，利用随机测量实现对量子多体态的无态表征。
• 设计并实现一种与里德堡平台现有实验硬件兼容的独立局域单量子比特酉旋转协议。
• 在真实实验噪声条件下，对一维SSH模型和淬火锯齿状XY链等真实模型进行工具箱性能基准测试。
• 验证该方法对脉冲波动和测量误差的鲁棒性，确保其在当前量子模拟器中的实际适用性。

提出的方法

• 通过在里德堡量子比特上使用时变全局微波驱动和局域光频移，实现基于局域随机单量子比特旋转的随机测量。
• 利用经典阴影形式化方法估计密度矩阵，并提取保真度和哈密顿量方差等物理可观测量。
• 对每个量子比特并行应用独立的局域酉操作，确保协议持续时间与系统尺寸无关。
• 通过随机酉电路的测量统计，估算子系统密度矩阵的迹平方，从而估计两体子系统的保真度。
• 利用相同的随机测量框架，测量目标态中哈密顿量的方差，以验证基态制备。
• 通过包含真实噪声模型（如脉冲波动和测量误差）的数值模拟验证该协议。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无法在局域操作期间关闭相互作用的相互作用里德堡原子量子模拟器中，随机测量能否被有效应用？
• RQ2 在存在实验噪声的情况下，利用随机测量对量子多体态保真度的估计精度如何？
• RQ3 在无态表征的前提下，哈密顿量方差在多大程度上可用于验证基态制备？
• RQ4 该随机测量协议对当前实验平台中的脉冲波动和测量误差具有多强的鲁棒性？
• RQ5 该工具箱能否用于探测非平衡动力学，例如在锯齿状XY链中经历突然淬火之后？

主要发现

• 该随机测量工具箱可在里德堡平台中对多达数百个量子比特的多体态实现对第二类Rényi熵（通过保真度表示）的精确估计。
• 该协议即使在存在真实实验缺陷（如脉冲波动和测量误差）的情况下，也能实现对态保真度的鲁棒估计。
• 哈密顿量方差测量为验证基态制备提供了可靠指标，在SSH模型中与目标态具有高保真度。
• 该方法在测量时间上表现出可扩展性，因为局域酉旋转是并行应用的，且不随系统尺寸增长。
• 在一维SSH模型和淬火XY链上的数值基准测试证实了该方法的准确性和抗噪声能力。
• 该工具箱与当前里德堡量子模拟器中的实验工具（如光镊和微波控制）完全兼容，支持直接实现。