Randomisierte Messprotokolle für Gittereichtheorien

Randomisierte Messprotokolle für Gittereichtheorien

Zeitstempel: 27. März 2024, 9:44 Uhr

Jakob Bringewatt1,2, Jonathan Kunjummen1,2, und Niklas Müller3

1Gemeinsames Zentrum für Quanteninformation und Informatik, NIST/University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA
2Joint Quantum Institute/NIST, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA
3InQubator für Quantensimulation (IQuS), Fachbereich Physik, University of Washington, Seattle, WA 98195, USA.

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Abstrakt

Randomisierte Messprotokolle, einschließlich klassischer Schatten, Verschränkungstomographie und randomisiertes Benchmarking, sind leistungsstarke Techniken zur Schätzung von Observablen, zur Durchführung einer Zustandstomographie oder zur Extraktion der Verschränkungseigenschaften von Quantenzuständen. Während es im Allgemeinen schwierig und ressourcenintensiv ist, die komplexe Struktur von Quantenzuständen zu entschlüsseln, sind Quantensysteme in der Natur oft stark durch Symmetrien eingeschränkt. Dies kann durch die von uns vorgeschlagenen symmetriebewussten randomisierten Messschemata genutzt werden, die klare Vorteile gegenüber der symmetrieblinden Randomisierung bieten, z. B. Reduzierung der Messkosten, Ermöglichung einer symmetriebasierten Fehlerminderung in Experimenten, Ermöglichung einer differenzierten Messung der Verschränkungsstruktur der (Gitter-)Eichtheorie, und möglicherweise die Überprüfung topologisch geordneter Zustände in bestehenden und kurzfristigen Experimenten. Entscheidend ist, dass diese letztgenannten Aufgaben im Gegensatz zu symmetrieblinden, randomisierten Messprotokollen ohne erneutes Erlernen der Symmetrien durch vollständige Rekonstruktion der Dichtematrix durchgeführt werden können.

Randomisierte Messprotokolle für Gittereichtheorien PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Ausgewähltes Bild: Eine schematische Darstellung unseres symmetriebewussten, randomisierten Messprotokolls, das die Symmetriestruktur der Zustände im Vergleich zu symmetrieblinden Ansätzen bewahrt.

Populäre Zusammenfassung

Ein Quantenzustand kann exponentielle Informationen kodieren. Normalerweise wird nur ein winziger Teil dieser Informationen durch eine einzelne Messung ermittelt. Randomisierte Messprotokolle bieten einen vielversprechenden Weg, diese Einschränkung zu überwinden, indem sie den Zugriff auf viele interessierende Größen ermöglichen und gleichzeitig relativ wenige Messungen erfordern. In dieser Arbeit schlagen wir vor, die Toolbox der randomisierten Messung zu erweitern, indem wir eine allgegenwärtige Situation in technischen und natürlichen Quantensystemen nutzen, nämlich das Vorhandensein von Symmetrien. Unser symmetriebewusster Ansatz liefert eine direkte Methode zur Extraktion der Verschränkungsstruktur von Quanten-Vielteilchensystemen, ohne dass eine vollständige Tomographie erforderlich ist. Eine Hauptanwendung ist die Untersuchung und Verifizierung topologisch geordneter Phasen in synthetischen Quantenmaterialien, ein Schritt zur Ermöglichung einer fehlertoleranten Quanteninformationsverarbeitung oder die Messung der Verschränkungsstruktur von Eichtheorien in Quantensimulationsexperimenten.

► BibTeX-Daten

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[1] Niklas Mueller, Joseph A. Carolan, Andrew Connelly, Zohreh Davoudi, Eugene F. Dumitrescu und Kübra Yeter-Aydeniz, „Quantum Computation of Dynamical Quantum Phase Transitions and Entanglement Tomography in a Lattice Gauge Theory“, PRX-Quantum 4 3, 030323 (2023).

[2] Andrea Bulgarelli und Marco Panero, „Verschränkungsentropie aus Nichtgleichgewichts-Monte-Carlo-Simulationen“, Zeitschrift für Hochenergiephysik 2023 6, 30 (2023).

[3] Dongjin Lee und Beni Yoshida, „Randomly Monitored Quantum Codes“, arXiv: 2402.00145, (2024).

[4] Yongtao Zhan, Andreas Elben, Hsin-Yuan Huang und Yu Tong, „Lernen von Erhaltungsgesetzen in unbekannter Quantendynamik“, arXiv: 2309.00774, (2023).

[5] Edison M. Murairi und Michael J. Cervia, „Reducing Circuit Depth with Qubitwise Diagonalization“, Physische Überprüfung A 108 6, 062414 (2023).

[6] Jesús Cobos, David F. Locher, Alejandro Bermudez, Markus Müller und Enrique Rico, „Rauschenbewusste Variationseigenlöser: ein dissipativer Weg für Gittermesstheorien“, arXiv: 2308.03618, (2023).

[7] Lento Nagano, Alexander Miessen, Tamiya Onodera, Ivano Tavernelli, Francesco Tacchino und Koji Terashi, „Quantendatenlernen für Quantensimulationen in der Hochenergiephysik“, Physical Review Research 5 4, 043250 (2023).

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