[论文解读] Fermionic quantum processing with programmable neutral atom arrays

Daniel González-Cuadra, Dolev Bluvstein+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 112被引用 7

一句话总结

本文提出一种基于可编程中性原子阵列的硬件高效费米子量子处理器，通过光学镊子中费米子原子的相干非定域化，在硬件层面编码费米统计。通过实现非局域隧穿门并利用空间随机化实现动态去相位补偿，该方法可实现低退相干的鲁棒费米子模型模拟，达成高保真度的分子系统与规范场论的量子模拟。

ABSTRACT

Simulating the properties of many-body fermionic systems is an outstanding computational challenge relevant to material science, quantum chemistry, and particle physics. Although qubit-based quantum computers can potentially tackle this problem more efficiently than classical devices, encoding non-local fermionic statistics introduces an overhead in the required resources, limiting their applicability on near-term architectures. In this work, we present a fermionic quantum processor, where fermionic models are locally encoded in a fermionic register and simulated in a hardware-efficient manner using fermionic gates. We consider in particular fermionic atoms in programmable tweezer arrays and develop different protocols to implement non-local tunneling gates, guaranteeing Fermi statistics at the hardware level. We use this gate set, together with Rydberg-mediated interaction gates, to find efficient circuit decompositions for digital and variational quantum simulation algorithms, illustrated here for molecular energy estimation. Finally, we consider a combined fermion-qubit architecture, where both the motional and internal degrees of freedom of the atoms are harnessed to efficiently implement quantum phase estimation, as well as to simulate lattice gauge theory dynamics.

研究动机与目标

• 通过在硬件层面编码费米统计，克服基于量子比特的费米子系统量子模拟的资源开销。
• 利用光学镊子中的中性原子，实现强关联费米子多体系统的可扩展、容错量子模拟。
• 开发基于非局域隧穿与里德堡介导相互作用的门操作集合，无需软件层面编码即可保持费米统计。
• 展示数字与变分量子模拟的高效电路分解，包括分子能级估算。
• 探索混合费米子-量子比特架构在量子相位估计算法与规范场论动力学模拟中的应用。

提出的方法

• 通过将费米子原子在多个光学镊子间相干非定域化，实现在保持硬件层面费米统计的同时实现非局域隧穿。
• 通过周期性循环方式交换原子位置，实现动态去相位补偿协议，确保时间相关的相位噪声保持有界。
• 该协议使用时间依赖的去相位哈密顿量 $ D_t = \sum_x h_{\sigma_t(x)} \hat{n}_x $，其中 $ \sigma_t(x) $ 表示时间 $ t $ 时原子 $ x $ 的位置。
• 非局域隧穿门通过操控运动波函数的受控叠加实现，有效跃迁项表示为 $ (c_i^† c_j)(t) = e^{-i\tau \sum_{t'\leq t}(h_{\sigma_{t'}(j)} - h_{\sigma_{t'}(i)})} c_i^† c_j $。
• 系统在弗洛凯周期中运行，交替进行去相位与目标演化，实现非均匀去相位的类似回声的抑制。
• 混合费米子-量子比特架构结合运动自由度与内部自由度，实现量子相位估计与规范场论动力学模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于中性原子的可扩展量子处理器中，费米统计是否可在硬件层面得以保持？
• RQ2 如何实现非局域隧穿门，以保持费米统计反称性并最小化退相干？
• RQ3 通过空间随机化实现的动态去相位补偿是否能抑制多体系统中由非均匀阱势引起的去相位？
• RQ4 该架构在模拟分子能级谱与规范场论方面的性能如何？
• RQ5 混合费米子-量子比特架构如何提升量子相位估计与规范场论模拟的效率？

主要发现

• 动态随机化协议确保跳跃项的相对相位噪声随时间保持有界，而未使用回声的系统中噪声呈线性增长。
• 在100个镊子与1D环中20个原子的模拟中，即使在高斯相位噪声（$ \sigma_\theta = 0.035 $）与时间步长 $ \tau = 0.13 $ 下，仍保持高保真度。
• 循环位移策略确保每个轨道在每个镊子位点上停留时间相等，实现对阱深变化的均匀暴露，从而提升回声性能。
• 该方法实现了数字与变分量子模拟的高效电路分解，包括分子能级估算，显著降低门深度与误差累积。
• 混合费米子-量子比特架构可高效实现量子相位估计与规范场论动力学模拟，充分利用运动与内部自由度。
• 该方法避免了软件层面费米统计编码的开销，适用于近期含有限量子比特数与相干时间的量子设备。