[论文解读] Benchmarking highly entangled states on a 60-atom analog quantum simulator

Adam L. Shaw, Zhuo Chen+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2023

Quantum Computing Algorithms and ArchitectureComputer Science被引用 3

一句话总结

该论文在60原子的模拟里德伯格量子模拟器中实现了保真度基准测试与混合态纠缠估计，通过使用不同纠缠极限的近似矩阵乘积态（MPS）模拟进行外推。其在生成高度纠缠态方面表现与最先进的数字量子设备相当，标志着首次在经典精确模拟不可行的范围内对模拟量子模拟器进行此类基准测试。

ABSTRACT

Quantum systems have entered a competitive regime where classical computers must make approximations to represent highly entangled quantum states. However, in this beyond-classically-exact regime, fidelity comparisons between quantum and classical systems have so far been limited to digital quantum devices, and it remains unsolved how to estimate the actual entanglement content of experiments. Here we perform fidelity benchmarking and mixed-state entanglement estimation with a 60-atom analog Rydberg quantum simulator, reaching a high entanglement entropy regime where exact classical simulation becomes impractical. Our benchmarking protocol involves extrapolation from comparisons against an approximate classical algorithm, introduced here, with varying entanglement limits. We then develop and demonstrate an estimator of the experimental mixed-state entanglement, finding our experiment is competitive with state-of-the-art digital quantum devices performing random circuit evolution. Finally, we compare the experimental fidelity against that achieved by various approximate classical algorithms, and find that only the algorithm we introduce is able to keep pace with the experiment on the classical hardware we employ. Our results enable a new paradigm for evaluating the ability of both analog and digital quantum devices to generate entanglement in the beyond-classically-exact regime, and highlight the evolving divide between quantum and classical systems.

研究动机与目标

• 解决在经典精确模拟不可行的“超越经典精确”范围内，模拟量子模拟器缺乏保真度基准测试的问题。
• 开发一种适用于实验量子系统的混合态纠缠可靠估计器，实现跨平台比较。
• 将近似经典算法的性能与高保真度模拟量子模拟器在制备高度纠缠态方面的表现进行比较。
• 建立一个可扩展的框架，用于评估模拟与数字平台在纠缠生成方面的量子优势。
• 证明模拟量子模拟器可达到以往仅数字设备可触及的纠缠范围。

提出的方法

• 该研究采用60原子的一维里德伯格量子模拟器，通过从全零态进行高温淬火制备高度纠缠态。
• 提出一种基于量子与经典测量结果之间交叉相关性的新型保真度估计协议，利用可调键维数（χ）的矩阵乘积态（MPS）算法作为近似经典模拟。
• 通过增加χ的多个MPS模拟结果进行外推，估计在精确模拟极限下的真实量子保真度。
• 引入一种基于实验数据的混合态纠缠代理作为通用质量因子，并通过经典基准验证其有效性。
• 采用蒙特卡洛推理方法将保真度估计扩展至更大系统尺寸，数值验证表明其可扩展至N ~ 500。
• 分析了实验的经典计算成本，并讨论了擦除转换可能带来的经典资源需求增加。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超越经典精确的范围内对模拟量子模拟器可靠地执行保真度基准测试？
• RQ2 实验中混合态的纠缠含量与近似经典模拟结果相比如何？
• RQ3 能否开发一种通用的纠缠代理，用于比较模拟与数字量子设备的性能？
• RQ4 模拟实验动力学的经典计算成本是多少？其随系统尺寸如何变化？
• RQ5 近似经典算法在多大程度上能跟上高保真度模拟量子模拟器在生成纠缠方面的表现？

主要发现

• 60原子的模拟里德伯格量子模拟器在全局保真度上与最先进的数字量子设备在执行随机电路演化时表现相当。
• 基于MPS外推的保真度估计协议成功识别出经典不可行性的起始点，保真度下降发生在纠缠超过模拟键维数限制的时刻。
• 仅所提出的可调χ的近似经典算法能在所用经典硬件上与实验保持同步，表明其作为基准的适用性。
• 本工作引入的混合态纠缠代理可作为比较模拟与数字量子设备的通用质量因子。
• 蒙特卡洛推理协议可扩展至系统尺寸N ~ 500，且使用合理经典资源，为未来更大量子系统的基准测试提供可能。
• 达到给定保真度所需的模拟时间近似遵循(1 - F)^(-10)的标度关系，表明对保真度高度敏感，暗示量子性能的微小提升可能很快超越经典能力。