[论文解读] Observation of thermalization and information scrambling in a superconducting quantum processor

Qingling Zhu, Zheng‐Hang Sun+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2021

Quantum many-body systems被引用 5

一句话总结

本研究通过12量子比特系统，在超导量子处理器上实验演示了热化与信息scrambling现象。通过测量纠缠熵和三体互信息（TMI），作者发现与量子比特链相比，量子比特梯形结构表现出更快的信息scrambling和更强的热化特性，且通过Lindblad主方程模拟退相干效应，定量地解释了实验数据，显著提高了与实验结果的一致性。

ABSTRACT

Understanding various phenomena in non-equilibrium dynamics of closed quantum many-body systems, such as quantum thermalization, information scrambling, and nonergodic dynamics, is a crucial for modern physics. Using a ladder-type superconducting quantum processor, we perform analog quantum simulations of both the $XX$ ladder and one-dimensional (1D) $XX$ model. By measuring the dynamics of local observables, entanglement entropy and tripartite mutual information, we signal quantum thermalization and information scrambling in the $XX$ ladder. In contrast, we show that the $XX$ chain, as free fermions on a 1D lattice, fails to thermalize, and local information does not scramble in the integrable channel. Our experiments reveal ergodicity and scrambling in the controllable qubit ladder, and opens the door to further investigations on the thermodynamics and chaos in quantum many-body systems.

研究动机与目标

• 研究超导量子处理器中热化与信息scrambling的动力学行为。
• 比较一维量子比特链与二维量子比特梯形架构中的scrambling行为差异。
• 量化退相干对实验量子系统中纠缠熵动力学的影响。
• 利用超导量子处理器的实验数据验证信息scrambling的理论预测。

提出的方法

• 测量12量子比特超导处理器中多个子系统纠缠熵的时间演化。
• 利用子系统熵计算三体互信息（TMI），以探测信息scrambling行为。
• 使用Lindblad主方程对纠缠熵动力学进行数值模拟，退相干噪声通过跃迁算符建模。
• 使用 $ \hat{C}_n = \hat{\sigma}^z_n / \sqrt{2T^*_{2,n}} $ 建模退相干效应，其中 $ T^*_{2,n} $ 为实验测得的退相干时间。
• 将实验数据与包含退相干和孤立系统情况下的数值结果进行比较。
• 对量子比特链与梯形结构中的TMI动力学进行系统性分析，以区分不同scrambling行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超导量子处理器中，一维量子比特链与二维量子比特梯形结构在信息scrambling方面有何差异？
• RQ2 退相干在多大程度上影响实验量子系统中观测到的纠缠熵动力学？
• RQ3 实验测量的三体互信息能否揭示不同量子架构中独特的scrambling动力学？
• RQ4 包含退相干效应的Lindblad主方程模拟在多大程度上能准确再现实验中的纠缠熵演化？

主要发现

• 三体互信息（TMI）的动力学表明，量子比特梯形结构相比量子比特链表现出更快且更显著的信息scrambling。
• 实验观测的纠缠熵数据与包含退相干效应的数值模拟结果一致性更高，优于孤立系统模拟结果。
• 量子比特B的初始有限纠缠熵证实了CNOT门实现的信息局部编码，表明Q1与Q2量子比特之间存在初始纠缠。
• 尽管存在退相干，纠缠熵的总体非平衡行为仍保持稳定，TMI中仍能清晰识别出不同的scrambling特征。
• 包含退相干效应的数值模拟能准确再现实验中纠缠熵的衰减过程，验证了该模型的预测能力。
• 链结构与梯形结构的实验TMI数据表现出明显差异，证实了二维梯形结构中更强的scrambling能力。