[论文解读] Real-time dynamics of Plaquette Models using NISQ Hardware

Emilie Huffman, Miguel García Vera+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 9

一句话总结

本论文在超导IBM Q量子硬件上实现了对$π_2$和$U(1)$晶胞模型的实时动力学模拟，采用Mitiq软件包中的电路折叠技术进行误差缓解，以应对退相干效应。尽管存在硬件限制，仍成功测量了如返回振幅和守恒荷等可观测物理量，为格点规范理论的可扩展量子模拟策略提供了洞见。

ABSTRACT

Practical quantum computing holds clear promise in addressing problems not generally tractable with classical simulation techniques, and some key physically interesting applications are those of real-time dynamics in strongly coupled lattice gauge theories. In this article, we benchmark real-time dynamics of $\mathbb{Z}_2$ and $U(1)$ gauge invariant plaquette models using superconducting-qubit based quantum IBM Q computers. We design quantum circuits for models of increasing complexity and measure physical observables such as the return probability to the initial state, and locally conserved charges. Even though the quantum hardware suffers from decoherence, we demonstrate the use of error mitigation techniques, such as circuit folding methods implemented via the Mitiq package, and show what they can achieve within the quantum volume restrictions for the IBM Q quantum computers. Our study provides insight into the choice of quantum hardware topologies, construction of circuits, and the utility of error mitigation methods to devise large-scale quantum computation strategies for lattice gauge theories.

研究动机与目标

• 研究利用近期量子硬件模拟强关联格点规范理论实时动力学的可行性。
• 评估误差缓解技术（尤其是电路折叠）在噪声中等规模量子（NISQ）设备上的性能表现。
• 评估量子硬件拓扑结构与电路设计对晶胞模型中守恒荷和返回振幅模拟保真度的影响。
• 为当前量子计算机上格点规范理论的量子模拟扩展提供实用指导。

提出的方法

• 在超导量子比特架构上设计$π_2$和$U(1)$规范不变晶胞模型的量子线路，逐步增加复杂度。
• 利用Mitiq软件包实现电路折叠作为误差缓解技术，以减轻噪声量子线路中的退相干效应。
• 在IBM Q设备上测量返回初始态的振幅和局部守恒荷等物理可观测量。
• 分析量子容量和硬件拓扑结构对模拟保真度和可观测量精度的影响。
• 对比不同电路布局与误差缓解策略的结果，以评估其鲁棒性与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前NISQ时代量子处理器能否可靠模拟$π_2$和$U(1)$晶胞模型的实时动力学？
• RQ2 基于电路折叠的误差缓解技术在退相干条件下对保持可观测量精度的效能如何？
• RQ3 量子硬件拓扑结构在格点规范理论模拟保真度中扮演何种角色？
• RQ4 电路设计选择如何影响守恒荷和返回振幅的测量？

主要发现

• 尽管存在退相干效应，本研究仍成功在IBM Q硬件上测量了$π_2$和$U(1)$晶胞模型的返回振幅与局部守恒荷。
• 通过Mitiq软件包实现的电路折叠显著提升了可观测量的保真度，证明了误差缓解在近期模拟中的可行性。
• 硬件拓扑结构与电路布局对模拟精度有显著影响，凸显了可扩展量子模拟中的设计权衡。
• 研究结果为在当前量子硬件上构建格点规范理论的容错量子计算策略提供了实用洞见。