[论文解读] Experimental Demonstration of Quantum Tunneling in IBM Quantum Computer

Narendra N. Hegade, Bikash K. Behera+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 100被引用 18

一句话总结

本论文通过在IBM的5量子比特和14量子比特量子处理器上进行数字量子模拟，展示了单粒子在阶跃势阱、双势阱和多势阱势场中的量子隧穿现象。通过使用一阶Suzuki-Trotter公式对哈密顿量进行分解，并利用CNOT、Hadamard和受控相位门实现时间演化，作者观测到了隧穿动力学和振荡行为，在两量子比特系统中经过六次时间步后平均保真度达到约52%，证实了在近期含噪声中等规模量子（NISQ）设备上模拟量子隧穿的可行性。

ABSTRACT

Quantum computers are the promising candidates for simulation of large quantum systems, which is a daunting task to perform in a classical computer. Here, we report the experimental realization of quantum tunneling of a single particle through different types of potential barriers by performing digital quantum simulations using IBM quantum computers. We consider two and three-qubit systems to visualize the tunneling process and illustrate its unique quantum nature. We observe the tunneling and oscillations of the particles in a step-well, double-well, and multi-well potentials through our experimental results. One may extend the proposed quantum circuits and simulation techniques used here for observing the tunneling phenomena for multi-particle systems in different potentials.

研究动机与目标

• 通过近期量子处理器演示单粒子系统中的量子隧穿。
• 开发一种可扩展的量子电路框架，用于模拟各种势场分布（阶跃势阱、双势阱、多势阱）中的隧穿行为。
• 验证数字量子模拟在含噪声中等规模量子（NISQ）设备上模拟基本量子现象的可行性。
• 分析实验实现中退相干和门误差导致的保真度退化问题。
• 为扩展至多粒子系统和复杂势场几何结构的模拟奠定基础。

提出的方法

• 利用一阶Suzuki-Trotter公式对哈密顿量的指数进行分解，将时间演化分解为动能和势能演化算符的顺序应用。
• 采用单量子比特门（Hadamard）和两量子比特纠缠门（CNOT和受控相位）对电路进行分解，以实现时间演化算符。
• 初始态被制备为势阱中局域化的波函数，系统在离散时间步长下沿隧穿哈密顿量演化。
• 通过量子态层析成像和理想密度矩阵与实验密度矩阵之间的保真度分析来测量动力学行为。
• 使用Qiskit框架在IBM的ibmqx4、ibmqx2和IBM Q 14 Melbourne处理器上编译并执行电路。
• 将保真度作为时间步长的函数进行计算，以评估不同设备上模拟的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在含噪声中等规模量子（NISQ）设备上通过数字量子模拟实验观测到单粒子的量子隧穿？
• RQ2 由于真实量子硬件中的门误差和退相干，模拟隧穿动力学的保真度随时间如何退化？
• RQ3 两量子比特和三量子比特电路在多大程度上能够模拟阶跃势阱、双势阱和多势阱势场中的隧穿行为？
• RQ4 所提出的电路设计能否扩展以模拟多粒子隧穿和更复杂的势场几何结构？
• RQ5 门分解和Trotter化在实现当前量子处理器上高效模拟量子隧穿中起到什么作用？

主要发现

• 成功在IBM的ibmqx4、ibmqx2和IBM Q 14 Melbourne处理器上，通过2-和3-量子比特电路在阶跃势阱、双势阱和多势阱势场中观测到单粒子的量子隧穿和振荡行为。
• 两量子比特模拟的平均保真度从t=0时的约94%下降至六次时间步后的52%，表明存在可测量但退化的相干性。
• 在三量子比特多势阱势场中观测到通过多个势垒的隧穿，经过十次时间步后，粒子最可能出现在|010⟩态。
• 模拟结果与理想量子电路表现出良好的定性一致性，证实了数字量子模拟方法的正确性。
• 每时间步每量子比特仅使用一个单量子比特门显著降低了电路深度，即使在硬件噪声下也实现了更长的模拟时间。
• 本研究证明，诸如隧穿等基本量子现象可在当前NISQ设备上进行探测，为更复杂的量子模拟铺平了道路。