[论文解读] Many-body Hilbert space scarring on a superconducting processor

Pengfei Zhang, Hang Dong+22 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文通过具有工程化相互作用的可调横向场伊辛模型，在超导量子处理器中实现了多体希尔伯特空间的疤痕效应。通过制备集体二聚化初始态，系统在保真度和自旋不平衡度上表现出持久的回声现象，局域化本征态主导了动力学过程——表现为与特定本征态的平方重叠度高，证实了在非可积、非受激系统中存在量子多体疤痕，为抑制量子器件中的热化提供了新路径。

ABSTRACT

Quantum many-body scarring (QMBS) -- a recently discovered form of weak ergodicity breaking in strongly-interacting quantum systems -- presents opportunities for mitigating thermalization-induced decoherence in quantum information processsing. However, the existing experimental realizations of QMBS are based on kinetically-constrained systems where an emergent dynamical symmetry "shields" such states from the thermalizing bulk of the spectrum. Here, we experimentally realize a distinct kind of QMBS phenomena by approximately decoupling a part of the many-body Hilbert space in the computational basis. Utilizing a programmable superconducting processor with 30 qubits and tunable couplings, we realize Hilbert space scarring in a non-constrained model in different geometries, including a linear chain as well as a quasi-one-dimensional comb geometry. By performing full quantum state tomography on 4-qubit subsystems, we provide strong evidence for QMBS states by measuring qubit population dynamics, quantum fidelity and entanglement entropy following a quench from initial product states. Our experimental findings broaden the realm of QMBS mechanisms and pave the way to exploiting correlations in QMBS states for applications in quantum information technology.

研究动机与目标

• 在超越动量受限模型的超导量子处理器中，演示量子多体疤痕（QMBS）效应。
• 研究QMBS是否可在无涌现动力学对称性的非可积、可调自旋链中出现。
• 通过实验观测保真度、自旋不平衡度和纠缠熵的回声现象，验证疤痕本征态的存在。
• 表征在不同相互作用参数和系统尺寸下疤痕效应的鲁棒性。
• 建立一个用于在近期量子硬件中研究弱遍历性破缺的平台。

提出的方法

• 在具有12至30个量子比特的超导处理器上，构建具有交替铁磁性（J_a）和反铁磁性（J_e）耦合的1D横向场伊辛模型。
• 制备集体二聚化初始态 |Π⟩，作为自旋有序构型的叠加态，以探测疤痕动力学。
• 测量保真度、自旋不平衡度和四量子比特纠缠熵的时间演化，以检测回声现象与局域化特征。
• 使用随机初始产品态作为对照，与疤痕态动力学进行对比。
• 分析 |Π⟩ 与本征态 |E_n⟩ 之间的平方重叠，以识别主导的疤痕支持本征态。
• 改变相互作用强度（J_a, J_e, J_x）和系统尺寸（L=12 至 30），以检验鲁棒性与标度行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在非可积、非受激的超导量子处理器中实验实现量子多体疤痕？
• RQ2 在无涌现动力学对称性的前提下，疤痕本征态是否主导集体二聚化初始态的动力学？
• RQ3 与随机初始态相比，疤痕态的保真度、不平衡度和纠缠熵如何随时间演化？
• RQ4 随着系统尺寸增大，疤痕保真度与本征态重叠的标度行为如何？
• RQ5 疤痕动力学对相互作用参数和无序的扰动有多强的鲁棒性？

主要发现

• 集体二聚化态 |Π⟩ 在保真度和不平衡度上表现出长达20 ms的持久回声，首次回声时保真度达~0.8，表明显著的非热化行为。
• |Π⟩ 与特定本征态之间的平方重叠在某些能级处呈现尖锐峰，证实了希尔伯特空间中疤痕本征态的存在。
• |Π⟩ 的保真度回声显著强于随机初始态，回声振幅提升3–5倍。
• |Π⟩ 的纠缠熵随时间保持较低水平（~1.2–1.5 ebits），与随机态中迅速增长的熵形成鲜明对比，表明热化被有效抑制。
• 疤痕态保真度与希尔伯特空间维度（1/D）成反比，且与1/L呈幂律依赖，与疤痕态的理论预测一致。
• 在L=12至L=30的系统尺寸范围内均观察到鲁棒性，回声模式与重叠结构保持一致，表明该效应具有可扩展性。