[论文解读] Probing phases of quantum matter with an ion-trap tensor-network quantum eigensolver

M. Meth, Viacheslav Kuzmin+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文展示了一种基于张量网络的变分量子电子结构求解器（TN-VQE）的囚禁离子量子模拟器，用于制备和表征量子物质的拓扑相。通过使用单点光学脉冲和离子搬运技术，将矩阵乘积态（MPS）理论波函数编码到可重构的离子阱架构中，作者成功制备了扩展的Su-Schrieffer-Heeger模型的基态，并通过测量拓扑不变量验证了其拓扑序，实现了利用原生硬件操作进行量子模拟的原理验证。

ABSTRACT

Tensor-Network (TN) states are efficient parametric representations of ground states of local quantum Hamiltonians extensively used in numerical simulations. Here we encode a TN ansatz state directly into a quantum simulator, which can potentially offer an exponential advantage over purely numerical simulation. In particular, we demonstrate the optimization of a quantum-encoded TN ansatz state using a variational quantum eigensolver on an ion-trap quantum computer by preparing the ground states of the extended Su-Schrieffer-Heeger model. The generated states are characterized by estimating the topological invariants, verifying their topological order. Our TN encoding as a trapped ion circuit employs only single-site addressing optical pulses - the native operations naturally available on the platform. We reduce nearest-neighbor crosstalk by selecting different magnetic sublevels with well-separated transition frequencies to encode even and odd qubits.

研究动机与目标

• 开发一种混合量子-经典算法，利用囚禁离子硬件模拟超越经典模拟极限的奇异量子相。
• 直接通过原生囚禁离子操作将张量网络理论波函数编码到量子模拟器中，实现相对于经典数值方法的指数级优势。
• 通过在NISQ设备上进行量子模拟测量拓扑不变量，验证多体基态中的拓扑序。
• 展示在分段阱架构中通过动态重构离子链，实现二维张量网络的可扩展性。

提出的方法

• 利用单离子侧带操作在囚禁离子量子处理器中编码矩阵乘积态（MPS）理论波函数。
• 利用具有多个区域（用于装载、存储和量子处理）的可重构线性离子阱，实现动态电路执行。
• 实施变分量子电子结构求解器（VQE）协议，其中量子设备的能量测量结果指导变分参数的经典优化。
• 通过离子搬运、分裂和合并操作动态重构离子链，实现在二维张量网络中的非局域晶胞。
• 为偶数和奇数编号的量子比特分别使用不同的磁子能级，以最小化串扰并实现高保真度的单点地址操作。
• 通过量子态层析和保真度测量拓扑不变量，验证所制备基态中拓扑序的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 囚禁离子量子模拟器能否利用基于张量网络的变分方法高效制备和表征物质的拓扑相？
• RQ2 在分段阱中通过动态离子重构，在最小串扰条件下，能在多大程度上实现二维张量网络的可扩展实现？
• RQ3 是否可以在NISQ时代量子设备上可靠测量拓扑不变量，以验证多体基态中的拓扑序？
• RQ4 仅使用原生囚禁离子操作，实现完整二维张量网络电路的资源成本和可行性如何？

主要发现

• 作者成功利用囚禁离子量子处理器上的TN-VQE协议制备了扩展的Su-Schrieffer-Heeger模型的基态。
• 所模拟的基态表现出非平凡的拓扑序，通过量子态表征测量拓扑不变量得到证实。
• 该协议在离子阱平台上实现完整的二维张量网络电路，共需152次重构操作（包括搬运、分裂和合并）。
• 为偶数和奇数量子比特使用不同的磁子能级，有效降低了最近邻串扰，实现了高保真度的单点操作。
• 该实现展示了利用原生囚禁离子操作和动态重构模拟拓扑相的可扩展路径。
• 结果验证了利用囚禁离子系统通过基于张量网络的变分算法模拟奇异量子相的可行性。