[论文解读] Characterizing a non-equilibrium phase transition on a quantum computer

Eli Chertkov, Zihan Cheng+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 55被引用 4

一句话总结

该论文首次通过离子阱量子计算机实验表征了非平衡相变，利用中间测量和实时条件逻辑模拟了一个推广的经典接触过程的耗散量子电路。研究证实了相变点处具有定向渗滤临界标度，活性位点和团簇尺寸的幂律增长，表明该模型中经典普适性对量子涨落具有鲁棒性。

ABSTRACT

At transitions between phases of matter, physical systems can exhibit universal behavior independent of their microscopic details. Probing such behavior in quantum many-body systems is a challenging and practically important problem that can be solved by quantum computers, potentially exponentially faster than by classical computers. In this work, we use the Quantinuum H1-1 quantum computer to realize a quantum extension of a simple classical disease spreading process that is known to exhibit a non-equilibrium phase transition between an active and absorbing state. Using techniques such as qubit-reuse and error avoidance based on real-time conditional logic (utilized extensively in quantum error correction), we are able to implement large instances of the model with $73$ sites and up to $72$ circuit layers, and quantitatively determine the model's critical properties. This work demonstrates how quantum computers capable of mid-circuit resets, measurements, and conditional logic enable the study of difficult problems in quantum many-body physics: the simulation of open quantum system dynamics and non-equilibrium phase transitions.

研究动机与目标

• 通过近期量子硬件实验探测量子多体系统中的非平衡相变。
• 研究耗散量子电路模型中的量子涨落是否在相变附近保持经典定向渗滤普适性。
• 开发并应用误差缓解技术——特别是比特重用和实时条件逻辑——以实现开放量子系统动力学的大规模模拟。
• 通过张量网络数值计算和直接量子计算机实验验证该模型的临界行为。

提出的方法

• 该研究采用一种离散时间量子电路模型，将经典接触过程推广，用生成纠缠的受控旋转门替代经典分支/凝聚过程。
• 该模型在Quantinuum H1-1离子阱量子计算机上实现，该设备支持中间测量、重置和实时条件逻辑。
• 采用比特重用技术，通过在多个电路层之间重用比特，将有效系统尺寸扩展至73个位点和72个电路层。
• 通过零噪声外推（ZNE）和实时条件逻辑实现误差缓解，避免误差传播，提高可观测量的保真度。
• 通过测量活性位点密度 ⟨N(t)⟩ 和均方位移团簇范围 ⟨R²(t)⟩ 的时间演化提取临界性质，利用已知的定向渗滤指数（θ ≈ 0.31，z ≈ 1.58）进行标度坍缩。
• 使用经典张量网络模拟估算临界点（p ≈ 0.3），并验证量子结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 该接触过程的量子推广是否表现出定向渗滤临界标度，表明在存在量子涨落时经典普适性具有鲁棒性？
• RQ2 具备中间测量和条件逻辑能力的近期量子计算机能否模拟与非平衡相变相关的大型开放量子系统动力学？
• RQ3 硬件误差，特别是TQ门误差，如何影响非平衡系统量子模拟中临界标度的观测？
• RQ4 零噪声外推和实时条件逻辑等误差缓解技术在多大程度上能保持此类模拟中临界可观测量的保真度？
• RQ5 在73个位点和72个电路层的晶格上，考虑初始态和动力学时，定向渗滤普适类在量子推广下是否保持稳定？

主要发现

• 实验测得的活性位点密度 ⟨N(t)⟩ 和均方位移团簇范围 ⟨R²(t)⟩ 在临界点（p ≈ 0.3）附近表现出与定向渗滤标度一致的幂律增长，指数分别为 θ ≈ 0.31 和 z ≈ 1.58。
• 利用已知的定向渗滤指数对实验数据进行标度坍缩，证实了临界行为的存在，与无噪声量子轨迹模拟结果高度一致。
• 在 t ≳ 12 时出现偏离坍缩的现象，归因于TQ门误差，表明误差源已开始影响长时间动力学。
• 零噪声外推（ZNE）显著提升了数据质量，尤其在 p = 0.3 情况下，使临界标度的识别更加清晰。
• 经典张量网络模拟与量子实验均收敛于临界点附近 p ≈ 0.3，支持该量子模型中定向渗滤普适性的鲁棒性。
• 实时条件逻辑与比特重用的结合使得大规模耗散量子电路（73个位点，72个层）的模拟成为可能，展示了研究非平衡量子现象的可扩展框架。