[论文解读] Observation of measurement-induced quantum phases in a trapped-ion quantum computer

Crystal Noel, Pradeep Niroula+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 30被引用 24

一句话总结

通过实验展示测量诱导的纯化（纯态）与编码（混合）相在测量诱导转变中的存在，并通过参考量子比特熵测量揭示两相及初始临界行为。

ABSTRACT

Many-body open quantum systems balance internal dynamics against decoherence from interactions with an environment. Here, we explore this balance via random quantum circuits implemented on a trapped ion quantum computer, where the system evolution is represented by unitary gates with interspersed projective measurements. As the measurement rate is varied, a purification phase transition is predicted to emerge at a critical point akin to a fault-tolerent threshold. We probe the "pure" phase, where the system is rapidly projected to a deterministic state conditioned on the measurement outcomes, and the "mixed" or "coding" phase, where the initial state becomes partially encoded into a quantum error correcting codespace. We find convincing evidence of the two phases and show numerically that, with modest system scaling, critical properties of the transition clearly emerge.

研究动机与目标

• 在监测量子多体动力学中动机化并实现测量诱导的相变。
• 使用参考量子比特作为序参数，区分纯相（快速投影）与混合/编码相（代码空间保持）。
• 展示对两相的实验证据，系统规模适中，并讨论向普适临界行为的标度。
• 探讨反馈与测量策略如何实现无需后选即可进行可扩展的探测。

提出的方法

• 在多达13个Yb-171离子组成的15离子链上实现带单位门的随机量子电路并叠加投影测量。
• 使用与系统纠缠的参考量子比特来测试混合相中是否存在代码空间，以及在纯相中的缺失。
• 采用一个扰乱性单元ary随后跟随随机XX(pi/4)门和中途随机测量以实现纯化动力学。
• 通过在X、Y、Z基进行层析测量参考量子比特熵S_Q，并通过基于反馈的解纠缠电路后选以获得经典熵S_C。
• 附加一个经典反馈电路以将参考量子比特与测量辅助比特解纠缠，从而实现对S_C的阈值判断而无需后选。
• 在固定p=0.15、改变p_x和L的随机电路集合上进行分析，构建相图并执行有限尺寸标度以提取临界行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 测量诱导的纯化与编码相是否会在具有随机单元动力学和测量的受约束离子电路中出现？
• RQ2 单个参考量子比特是否能揭示混合相的代码空间存在与否这一特征，分别对应于混合与纯相？
• RQ3 在全耦合随机电路中的纯化转变附近，有限尺寸的标记有哪些特征及标度行为？
• RQ4 引入X基测量（p_x）会如何影响纯化转变及其普适性类？
• RQ5 所观测的临界性质（如动态指数）是否可由近届离子阱硬件和适度系统规模利用？

主要发现

• 在纯化转变中观察到混合/编码相与纯相的证据，通过参考量子比特熵的行为和阈值化的经典熵S_C得到体现。
• 相图显示在低p和p_x时为混合相，在较高p_x或p时为纯相，模拟中临界点p_xc≈0.72(1)在p=0.15；对于L≤8的实验数据与模拟一致显示相分离。
• 有限尺寸标度表明在临界附近S_Q的晚期衰减τ与L的幂律关系为L^{z}，z≈1/5，与该全耦合设定下的平均场渗流预期相吻合。
• 一种可实验扩展的方法，通过对参考量子比特进行反馈解纠缠，避免后选并降低资源需求，从而直接观察两相。
• 包含XX门串扰和去相位噪声的更嘈杂的仿真解释了观测到的更高熵，但对于小系统尺寸（L=4,6）仍能清晰分离混合与纯两态区。
• 所识别的临界性质（z≈1/5，ν≈1/2）与基于渗流的预期一致，计划扩展到更大系统（L最高32）并使用伴随冷却以访问更深的临界行为。