[论文解读] Coherent quantum annealing in a programmable 2000-qubit Ising chain

Andrew King, Sei Suzuki+22 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Quantum many-body systems被引用 15

一句话总结

该论文在可编程的2000比特超导伊辛链中实现了相干量子退火，与闭合系统量子动力学实现定量一致。实验观测到基普-祖雷克标度关系以及在量子临界点处的正自旋扭结-扭结关联，证实了尽管存在环境耦合，仍实现了相干演化。

ABSTRACT

Quantum simulation has emerged as a valuable arena for demonstrating and understanding the capabilities of near-term quantum computers. Quantum annealing has been used successfully in simulating a range of open quantum systems, both at equilibrium and out of equilibrium. However, in all previous experiments, annealing has been too slow to simulate a closed quantum system coherently, due to the onset of thermal effects from the environment. Here we demonstrate coherent evolution through a quantum phase transition in the paradigmatic setting of the 1D transverse-field Ising chain, using up to 2000 superconducting flux qubits in a programmable quantum annealer. In large systems we observe the quantum Kibble-Zurek mechanism with theoretically predicted kink statistics, as well as characteristic positive kink-kink correlations, independent of system temperature. In small chains, excitation statistics validate the picture of a Landau-Zener transition at a minimum gap. In both cases, results are in quantitative agreement with analytical solutions to the closed-system quantum model. For slower anneals we observe anti-Kibble-Zurek scaling in a crossover to the open quantum regime. These experiments demonstrate that large-scale quantum annealers can be operated coherently, paving the way to exploiting coherent dynamics in quantum optimization, machine learning, and simulation tasks.

研究动机与目标

• 在存在环境退相干的情况下，证明大规模超导量子处理器中实现相干量子退火。
• 利用可编程量子退火器，在一维横向场伊辛链中验证量子基普-祖雷克机制。
• 通过探测不同退火时间与温度下的扭结统计与关联，区分相干动力学与开放系统效应。
• 评估无序与退相干在有限时间淬火过程中对量子关联的抑制作用。
• 利用解析可解模型，为近期量子退火器中的相干动力学建立基准。

提出的方法

• 在可编程超导量子退火器上实现一维横向场伊辛哈密顿量，最多支持2000个量子比特。
• 使用由无量纲参数 $ s = t/t_a $ 控制的时间依赖退火调度，调节横向场 $ ̺(s) $ 与伊辛耦合 $ \mathcal{J}(s) $ 之间的转换。
• 采用周期性边界条件与均匀耦合 $ J $，可编程为铁磁性（负值）或反铁磁性（正值）。
• 通过测量扭结密度与扭结-扭结关联函数，探测量子临界点附近的拓扑缺陷与关联长度。
• 将实验结果与闭合系统模型的解析解及包含无序的张量网络模拟（TEBD）进行比较。
• 采用自展重采样方法计算 $ 95\% $ 置信区间，并通过张量网络的张量维数分析估算实验态中的纠缠度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在环境耦合的情况下，是否可在大规模超导量子处理器中实现相干量子退火？
• RQ2 观测到的扭结统计与关联是否与闭合系统模型中量子基普-祖雷克机制的预测一致？
• RQ3 温度、无序与退火时间在有限时间淬火过程中对量子关联的抑制或保持作用如何？
• RQ4 实验数据在多大程度上反映相干动力学，而非开放系统退相干效应？
• RQ5 包含可控无序的张量网络模拟能否重现实验测得的扭结-扭结关联函数？

主要发现

• 实验观测到扭结密度随退火时间呈现基普-祖雷克标度关系，与闭合量子系统的理论预测一致。
• 在量子临界点处测得正扭结-扭结关联，证实了相干动力学与温度（10–30 mK）无关。
• 对于慢速退火，出现反基普-祖雷克标度关系，表明由于退相干与无序，系统已过渡至开放量子区域。
• 在较长退火时间下，扭结-扭结关联峰被抑制，温度影响微弱，表明无序与扩散是主导机制。
• TEBD模拟中的张量维数分析表明，实验态的纠缠度与 $ D \geq 20 $ 一致，表明存在显著的多体纠缠。
• 理论与实验的扭结分布、累积量及关联函数实现定量一致，验证了退火过程的相干性。