[论文解读] Quantum simulation of molecular vibronic spectra on a superconducting bosonic processor

Christopher S. Wang, Jacob C. Curtis+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2019

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 2

一句话总结

该论文展示了一种用于分子振动-电子光谱量子模拟的超导玻色子处理器，采用高保真度单次测量光子数分辨探测与高斯操作，每模式最高实现15个光子的探测。该平台可重新编程地模拟H₂O、O₃、NO₂和SO₂的振动-电子光谱，通过非高斯态制备实现激发态动力学的模拟，确立了超导电路作为玻色子量子模拟可扩展平台的潜力。

ABSTRACT

The efficient simulation of quantum systems is a primary motivating factor for developing controllable quantum machines. For addressing systems with underlying bosonic structure, it is advantageous to utilize a naturally bosonic platform. Optical photons passing through linear networks may be configured to perform quantum simulation tasks, but the efficient preparation and detection of multiphoton quantum states of light in linear optical systems are challenging. Here, we experimentally implement a boson sampling protocol for simulating molecular vibronic spectra [Nature Photonics $ extbf{9}$, 615 (2015)] in a two-mode superconducting device. In addition to enacting the requisite set of Gaussian operations across both modes, we fulfill the scalability requirement by demonstrating, for the first time in any platform, a high-fidelity single-shot photon number resolving detection scheme capable of resolving up to 15 photons per mode. Furthermore, we exercise the capability of synthesizing non-Gaussian input states to simulate spectra of molecular ensembles in vibrational excited states. We show the re-programmability of our implementation by extracting the spectra of photoelectron processes in H$_2$O, O$_3$, NO$_2$, and SO$_2$. The capabilities highlighted in this work establish the superconducting architecture as a promising platform for bosonic simulations, and by combining them with tools such as Kerr interactions and engineered dissipation, enable the simulation of a wider class of bosonic systems.

研究动机与目标

• 开发一种基于天然玻色子系统的可扩展量子模拟平台，用于分子振动-电子光谱的模拟。
• 通过利用超导电路，克服线性光学系统中多光子态制备与探测的挑战。
• 通过非高斯输入态实现对分子振动基态与激发态的模拟。
• 展示每模式最高达15个光子的高保真度、单次测量光子数分辨探测，满足可扩展性的关键要求。
• 通过模拟H₂O、O₃、NO₂和SO₂等多种分子物种的光谱，验证平台的可重新编程性。

提出的方法

• 在两个超导模式上实现高斯操作，以模拟分子振动-电子跃迁。
• 开发一种高保真度、单次测量光子数分辨探测方案，可分辨每模式最高达15个光子。
• 利用非高斯态制备技术，模拟分子系统在振动激发态下的行为。
• 在超导器件上采用专为分子振动-电子光谱设计的玻色子采样协议。
• 通过调整输入态和操作，实现可重新编程的架构，以模拟不同分子系统。
• 集成工程化耗散与克尔相互作用，作为未来扩展至更广泛玻色子系统模拟的路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 超导玻色子处理器能否以高保真度和可扩展性模拟分子振动-电子光谱？
• RQ2 在超导平台上，如何实现每模式最高达15个光子的高保真度、单次测量光子数分辨探测？
• RQ3 能否利用非高斯输入态模拟分子在振动激发态下的振动-电子光谱？
• RQ4 该平台是否可重新编程以模拟包括H₂O、O₃、NO₂和SO₂在内的多种分子系统？
• RQ5 超导电路能否作为模拟更广泛玻色子量子系统类别的可扩展平台？

主要发现

• 该超导处理器首次在任何平台上实现了每模式最高达15个光子的高保真度单次测量光子数分辨探测。
• 通过可重新编程的输入态与高斯操作，系统成功模拟了H₂O、O₃、NO₂和SO₂的振动-电子光谱。
• 非高斯态制备使分子体系在振动激发态下的模拟成为可能。
• 通过集成高保真度探测与可重新编程操作，平台展示了可扩展性。
• 结果确立了超导架构作为玻色子量子模拟的有前途平台，尤其在结合克尔相互作用与工程化耗散的未来扩展中更具潜力。