[论文解读] Noise-resilient Edge Modes on a Chain of Superconducting Qubits

Mi Xiao, Michael Sonner+126 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

该论文通过实验和理论方法证明，在超导任意子链中，由于拓扑保护，边缘模态表现出强噪声鲁棒性，且在真实耗散条件下，马约拉纳算符的退相干时间显著延长。通过采用具有工程化耗散和可积性破缺微扰的弗洛凯工程平台，作者表明即使在相位退相干和衰减存在的情况下，边缘模态依然稳定，其鲁棒性通过张量网络模拟和实验数据拟合得到验证。

ABSTRACT

Inherent symmetry of a quantum system may protect its otherwise fragile states. Leveraging such protection requires testing its robustness against uncontrolled environmental interactions. Using 47 superconducting qubits, we implement the one-dimensional kicked Ising model which exhibits non-local Majorana edge modes (MEMs) with $\mathbb{Z}_2$ parity symmetry. Remarkably, we find that any multi-qubit Pauli operator overlapping with the MEMs exhibits a uniform late-time decay rate comparable to single-qubit relaxation rates, irrespective of its size or composition. This characteristic allows us to accurately reconstruct the exponentially localized spatial profiles of the MEMs. Furthermore, the MEMs are found to be resilient against certain symmetry-breaking noise owing to a prethermalization mechanism. Our work elucidates the complex interplay between noise and symmetry-protected edge modes in a solid-state environment.

研究动机与目标

• 在真实噪声条件下，证明超导任意子链中边缘模态的拓扑保护特性。
• 研究相位退相干和衰减对驱动量子系统中马约拉纳算符寿命的影响。
• 通过实验与理论方法，评估可积性破缺微扰下边缘模态的稳定性。
• 开发并应用影响矩阵方法，以有限键维数模拟开放量子多体动力学。

提出的方法

• 采用弗洛凯驱动的超导任意子链，实现具有工程化耗散的拓扑保护系统。
• 应用影响矩阵（IM）方法模拟开放量子动力学，将时间演化通道近似为单位演化后接局部耗散。
• 使用有限键维数（χ=128, 192）的矩阵乘积态（MPS）压缩进行张量网络收缩，高效计算时间关联函数。
• 假设均匀相位退相干（γϕ）和衰减（γd）参数，以拟合实验数据并验证理论预测。
• 通过在每个弗洛凯周期内施加均匀磁场脉冲引入可积性破缺微扰，以检验系统的鲁棒性。
• 通过将理论拟合的退相干时间与12量子比特装置的实验测量结果对比，验证模拟结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超导任意子链中，马约拉纳算符的退相干时间如何依赖于耦合强度g以及耗散参数γϕ和γd？
• RQ2 在驱动的开放量子系统中，拓扑边缘模态在多大程度上能抵抗相位退相干和衰减？
• RQ3 可积性破缺微扰如何影响边缘模态的稳定性以及马约拉纳算符的退相干时间？
• RQ4 有限键维数的影响矩阵方法能否准确模拟该系统中的耗散多体动力学？
• RQ5 时间纠缠在张量网络模拟开放量子系统效率中起什么作用？

主要发现

• 当g ≥ 0.8时，马约拉纳算符的退相干时间表现出显著鲁棒性，实验数据与假设γϕ=0.01和γd=0.0046的理论模型拟合良好。
• 图18中的理论拟合结果证实，当g ≥ 0.8时，退相干时间几乎保持恒定，表明在噪声条件下存在拓扑保护。
• 可积性破缺微扰仅在小g < 0.8时降低退相干时间，表明在高g区域，拓扑保护具有强鲁棒性。
• 采用MPS压缩的影响矩阵方法可高效模拟开放量子动力学，且在χ=128和χ=192时均确认收敛。
• 进入马约拉纳算符展开的多自旋关联函数表现出相同的退相干速率，支持边缘模态的相干性。
• 耗散降低了时间纠缠，从而提高了张量网络收缩过程的效率。