[论文解读] Experimental Realization of a Measurement-Induced Entanglement Phase Transition on a Superconducting Quantum Processor

Jin Ming Koh, Shining Sun+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 19

一句话总结

本研究通过在量子电路中引入中途投影测量，在超导量子处理器上实验演示了测量诱导的量子纠缠相变。通过调节测量速率，作者观察到体积律与面积律纠缠熵标度之间的相变，并通过数据坍缩方法确认了临界行为，提取出临界指数，标志着在近期量子硬件上探测动态量子相的重要进展。

ABSTRACT

Ergodic quantum many-body systems undergoing unitary dynamics evolve towards increasingly entangled states characterized by an extensive scaling of entanglement entropy with system volume. At the other extreme, quantum systems repeatedly measured may be stabilized in a measurement eigenstate, a phenomenon known as the quantum Zeno effect. Recently, the intermediate regime in which unitary evolution is interspersed with quantum measurements has become of interest. Numerical studies have reported the existence of distinct phases characterized by volume- and area-law entanglement entropy scaling for infrequent and frequent measurement rates, respectively, separated by a critical measurement rate. The experimental investigation of these dynamic quantum phases of matter on near-term quantum hardware is challenging due to the need for repeated high-fidelity mid-circuit measurements and fine control over the evolving unitaries. Here, we report the realization of a measurement-induced entanglement transition on superconducting quantum processors with mid-circuit readout capability. We directly observe extensive and sub-extensive scaling of entanglement entropy in the volume- and area-law phases, respectively, by varying the rate of projective measurements. We further demonstrate phenomenological critical behavior of the transition by performing a data collapse for different system sizes. Our work paves the way for the use of mid-circuit measurement as an effective resource for quantum simulation on near-term quantum computers, for instance by facilitating the study of dynamic and long-range entangled quantum phases.

研究动机与目标

• 通过近期超导量子处理器实验实现驱动量子系统中的测量诱导纠缠相变。
• 通过调节中途投影测量的速率，展示体积律与面积律纠缠熵标度之间的相变。
• 通过有限尺寸标度与数据坍缩方法，利用实验数据验证相变的临界行为。
• 确立中途测量作为模拟动态与长程纠缠相的可行工具。
• 通过多尺寸系统下纠缠熵数据的数值拟合，量化临界指数与相变点。

提出的方法

• 采用混合随机量子电路模型，包含两层随机化两比特门的砖墙结构，并在每个时间步引入概率性投影测量。
• 利用具有亚微秒级读出能力（约750 ns）的超导量子比特实现中途测量，支持重复高保真测量。
• 使用随机化单比特旋转与随机方向的CX门，以确保哈密顿量的随机性，避免纠缠生成中的偏差。
• 对部分量子比特进行量子态层析，提取纠缠熵，通过约化密度矩阵计算Rényi熵。
• 通过有限尺寸标度实现数据坍缩：利用临界指数γ与ν对纠缠熵与测量速率进行重标度，使L=5至L=8不同系统尺寸的数据实现坍缩。
• 通过最小化损失函数R(γ,ν)以减小重标度后数据的离散度，采用对称网格搜索与梯度优化相结合的拟合方法，误差估计水平为1%。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在具备中途测量能力的超导量子处理器上实验实现测量诱导的纠缠相变？
• RQ2 在低测量速率相中，观测到的纠缠熵是否呈现广延标度；在高测量速率相中是否呈现次广延标度？
• RQ3 相变是否表现出临界行为，表现为不同系统尺寸下的数据坍缩？
• RQ4 实验提取的纠缠相变临界指数γ与ν分别为多少？
• RQ5 临界测量速率p*对有限尺寸效应及不同估算方法的鲁棒性如何？

主要发现

• 实验成功通过调节测量速率p，观察到从体积律到面积律纠缠熵标度的相变，低p时纠缠熵呈广延标度，高p时呈次广延标度。
• 在L=5时，p*≈0.25处纠缠熵方差出现峰值，为临界点提供了初步证据，与理论预测一致。
• 通过有限尺寸标度形式，成功在L=5至L=8的系统尺寸间实现数据坍缩，确认临界行为，最佳拟合临界指数为γ₀≈0.58与ν₀≈1.48。
• 通过外推至热力学极限，临界测量速率估计为p*≈0.22，显示出对估算方法的鲁棒性。
• 损失函数最小化过程得到保守的误差估计，δγ≈±0.12与δν≈±0.25，表明对标度行为的拟合具有可靠性。
• 本研究证明，超导硬件中的中途测量可用于探测复杂量子相变，为未来研究动态与长程纠缠相提供了新途径。