Аналоговое квантовое моделирование с трансмон-кубитами фиксированной частоты

Аналоговое квантовое моделирование с трансмон-кубитами фиксированной частоты

Отметка времени: 22 февраля 2024 г., 8:02 AM

Шон Гринуэй1, Адам Смит2,3, Флориан Минтерт1,4и Дэниел Мальц5,6

1Физический факультет, Лаборатория Блэкетта, Имперский колледж Лондона, Prince Consort Road, SW7 2BW, Соединенное Королевство
2Школа физики и астрономии, Ноттингемский университет, Ноттингем, NG7 2RD, Великобритания
3Центр математики и теоретической физики квантовых неравновесных систем, Ноттингемский университет, Ноттингем, NG7 2RD, Великобритания
4Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Bautzner Landstraße 400, 01328 Дрезден, Германия
5Институт квантовой оптики Макса Планка, Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Гархинг, Германия
6Факультет физики, Технический университет Мюнхена, Джеймс-Франк-Штрассе 1, 85748 Гархинг, Германия

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Мы экспериментально оцениваем пригодность трансмонных кубитов с фиксированными частотами и фиксированными взаимодействиями для реализации аналогового квантового моделирования спиновых систем. Мы проверяем набор необходимых критериев для достижения этой цели на коммерческом квантовом процессоре, используя полную томографию квантовых процессов и более эффективную гамильтонову томографию. Значительные ошибки одного кубита при низких амплитудах идентифицируются как ограничивающий фактор, препятствующий реализации аналогового моделирования на доступных в настоящее время устройствах. Кроме того, мы обнаруживаем ложную динамику в отсутствие импульсов возбуждения, которую мы отождествляем с когерентной связью между кубитом и низкоразмерной средой. При умеренных улучшениях может стать возможным аналоговое моделирование богатого семейства зависящих от времени гамильтонианов со спином многих тел.

Аналоговое квантовое моделирование с трансмон-кубитами фиксированной частоты. Анализ данных PlatoBlockchain. Вертикальный поиск. Ай.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Леонид В. Абдурахимов, Имран Махбуб, Хираку Тоида, Косуке Какуянаги, Юитиро Мацузаки и Сиро Сайто. Идентификация различных типов высокочастотных дефектов в сверхпроводящих кубитах. PRX Quantum, 3: 040332, декабрь 2022 г. 10.1103/​PRXQuantum.3.040332. URL 10.1103/​PRXQuantum.3.040332.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040332

[2] Доктор медицинских наук САДЖИД АНИС, Эбби-Митчелл, Эктор Абрахам, АдуОффей, Рочиша Агарвал, Габриэле Альярди, Мерав Ахарони, Вишну Аджит, Исмаил Юнус Ахалвайя, Гади Александрович и др. Эксперименты Qiskit доступны по адресу github.com/qiskit/qiskit-experiments. URL https://github.com/Qiskit/qiskit-experiments.git.
https://github.com/Qiskit/qiskit-experiments.git

[3] Доктор медицинских наук САДЖИД АНИС, Эбби-Митчелл, Эктор Абрахам, АдуОффей, Рочиша Агарвал, Габриэле Альярди, Мерав Ахарони, Вишну Аджит, Исмаил Юнус Ахалвайя, Гади Александрович и др. Qiskit: платформа с открытым исходным кодом для квантовых вычислений, 2021 г.

[4] Фрэнк Аруте, Кунал Арья, Райан Бэббуш, Дэйв Бэкон, Джозеф К. Бардин, Рами Барендс, Рупак Бисвас, Серхио Бойшо, Фернандо GSL Брандао, Дэвид А. Буэлл и другие. Квантовое превосходство с использованием программируемого сверхпроводящего процессора. Nature, 574 (7779): 505–510, 2019. 10.1038 / s41586-019-1666-5.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[5] Рами Барендс, Алиреза Шабани, Лукас Ламата, Джулиан Келли, Антонио Меццакапо, У Лас Херас, Райан Бэббуш, Остин Дж. Фаулер, Брукс Кэмпбелл, Ю Чен и др. Оцифрованные адиабатические квантовые вычисления со сверхпроводниковой схемой. Nature, 534 (7606): 222–226, 2016. 10.1038/​nature17658.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature17658

[6] Александр Бле, Стивен М. Гирвин и Уильям Д. Оливер. Квантовая обработка информации и квантовая оптика со схемой квантовой электродинамики. Нат. Phys., 16 (3): 247–256, 2020. 10.1038/​s41567-020-0806-z.
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-0806-г

[7] Райнер Блатт и Кристиан Ф Роос. Квантовое моделирование с захваченными ионами. Нат. Phys., 8 (4): 277–284, 2012. 10.1038/nphys2252.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2252

[8] Антуан Броэ и Тьерри Лаэ. Физика многих тел с индивидуально управляемыми ридберговскими атомами. Нат. Phys., 16 (2): 132–142, 2020. 10.1038/​s41567-019-0733-z.
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-019-0733-г

[9] Джерри М. Чоу, Антонио Д. Корколес, Джей М. Гамбетта, Чад Ригетти, Блейк Р. Джонсон, Джон А. Смолин, Джим Р. Розен, Джордж А. Киф, Мэри Б. Ротвелл, Марк Б. Кетчен и др. Простой полностью микроволновый затвор запутанности для сверхпроводящих кубитов с фиксированной частотой. Физ. Rev. Lett., 107 (8): 080502, 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.080502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.080502

[10] Дж. Игнасио Сирак и Питер Золлер. Цели и возможности квантового моделирования. Нат. Phys., 8 (4): 264–266, 2012. 10.1038/nphys2275.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2275

[11] С.Е. де Грааф, Л. Фаоро, Л.Б. Иоффе, С. Махашабде, Дж. Дж. Бернетт, Т. Линдстрем, С. Е. Кубаткин, А. В. Данилов и А. Я. Цаленчук. Двухуровневые системы в сверхпроводящих квантовых устройствах, обусловленные захваченными квазичастицами. наук. Adv., 6 (51): eabc5055, 2020. 10.1126/​sciadv.abc5055.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abc5055

[12] Дэвид П. ДиВинченцо. Физическая реализация квантовых вычислений. Форчр. Phys., 48 (9-11): 771–783, 2000. 10.1002/1521-3978(200009)48:9/11<771::AID-PROP771>3.0.CO;2-E.
<a href="https://doi.org/10.1002/1521-3978(200009)48:9/113.0.CO;2-E”>https:/​/​doi.org/​10.1002/​1521-3978(200009)48:9/​11<771::AID-PROP771>3.0.CO;2-E

[13] Юцянь Донг, Юн Ли, Вэнь Чжэн, Юй Чжан, Чжуан Ма, Синьшэн Тан и Ян Юй. Измерение диффузии квазичастиц в сверхпроводящем трансмонном кубите. Прил. Sci., 12 (17): 8461, 2022. 10.3390/app12178461.
https://​/​doi.org/​10.3390/​app12178461

[14] Мануэль Эндрес, Марк Шено, Такеши Фукухара, Кристоф Вайтенберг, Петер Шаусс, Кристиан Гросс, Леонардо Мацца, Мари Кармен Банулс, Л Поллет, Иммануэль Блох и др. Наблюдение коррелированных пар частица-дырка и порядка струн в низкоразмерных изоляторах Мотта. Science, 334 (6053): 200–203, 2011. 10.1126/​science.1209284.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1209284

[15] Юлия Георгеску, Сахель Ашхаб и Франко Нори. Квантовое моделирование. Преподобный Мод. Phys., 86 (1): 153, 2014. 10.1103/​RevModPhys.86.153.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.153

[16] Дэниел Грайф, Томас Юлингер, Грегор Йотцу, Летисия Тарруэлл и Тилман Эсслингер. Ближний квантовый магнетизм ультрахолодных фермионов в оптической решетке. Science, 340 (6138): 1307–1310, 2013. 10.1126/​science.1236362.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1236362

[17] Маркус Грейнер, Олаф Мандель, Тилман Эсслингер, Теодор В. Хэнш и Иммануэль Блох. Квантовый фазовый переход от сверхтекучего изолятора к изолятору Мотта в газе ультрахолодных атомов. Природа, 415 (6867): 39–44, 2002. 10.1038/​415039а.
https: / / doi.org/ 10.1038 / 415039a

[18] Майкл Дж. Хартманн. Квантовое моделирование с взаимодействующими фотонами. J. Opt., 18 (10): 104005, 2016. 10.1088/​2040-8978/​18/​10/​104005.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2040-8978/​18/​10/​104005

[19] Майкл Дж. Хартманн, Фернандо ГСЛ Брандао и Мартин Б. Пленио. Квантовые явления многих тел в массивах связанных резонаторов. Laser Photonics Rev., 2 (6): 527–556, 2008. 10.1002/​lpor.200810046.
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.200810046

[20] Эндрю А. Хоук, Хакан Э. Тюречи и Йенс Кох. Квантовое моделирование на кристалле с использованием сверхпроводящих схем. Нат. Phys., 8 (4): 292–299, 2012. 10.1038/​nphys2251.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2251

[21] Маник Капил, Бикаш К. Бехера и Прасанта К. Паниграхи. Квантовое моделирование уравнения Клейна-Гордона и наблюдение парадокса Клейна на квантовом компьютере IBM. Препринт arXiv arXiv:1807.00521, 2018. 10.48550/​arXiv.1807.00521.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1807.00521
Arxiv: 1807.00521

[22] Дэниел Кох, Бретт Мартин, Саахил Патель, Лаура Вессинг и Пол М. Алсинг. Демонстрация проблем эпохи NISQ при разработке алгоритмов на 20-кубитном квантовом компьютере IBM. АИП Адв., 10 (9): 095101, 2020. 10.1063/​5.0015526.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0015526

[23] Филип Кранц, Мортен Кьергор, Фей Ян, Терри П. Орландо, Саймон Густавссон и Уильям Д. Оливер. Руководство квантового инженера по сверхпроводящим кубитам. Прил. Физ. Ред., 6 (2): 021318, 2019. 10.1063/​1.5089550.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5089550

[24] Бен П. Ланьон, Корнелиус Хемпель, Дэниел Нигг, Маркус Мюллер, Рене Герритсма, Ф. Церингер, Филипп Шиндлер, Хулио Т. Баррейро, Маркус Рамбах, Герхард Кирхмайр и др. Универсальное цифровое квантовое моделирование с захваченными ионами. Science, 334 (6052): 57–61, 2011. 10.1126/​science.1208001.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1208001

[25] Чжи Ли, Люцзюнь Цзоу и Тимоти Х Се. Гамильтонова томография посредством квантового гашения. Физ. Rev. Lett., 124 (16): 160502, 2020. 10.1103/​PhysRevLett.124.160502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.160502

[26] Цзинь Линь, Фу-Тянь Лян, Юй Сюй, Ли-Хуа Сунь, Чэн Го, Шэн-Кай Ляо и Чэн-Чжи Пэн. Масштабируемый и настраиваемый генератор сигналов произвольной формы для сверхпроводящих квантовых вычислений. АИП Адв., 9 (11): 115309, 2019. 10.1063/​1.5120299.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5120299

[27] Юрген Лизенфельд, Григорий Грабовский, Клеменс Мюллер, Джаред Коул, Георг Вайс и Алексей Устинов. Наблюдение непосредственно взаимодействующих когерентных двухуровневых систем в аморфном материале. Нат. Коммун., 6 (1): 1–6, 2015. 10.1038/​ncomms7182.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms7182

[28] Сет Ллойд. Универсальные квантовые симуляторы. Science, 273 (5278): 1073-1078, 1996. 10.1126 / science.273.5278.1073.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.273.5278.1073

[29] Руйшао Ма, Клэй Оуэнс, Аман Лашапель, Дэвид Шустер и Джонатан Саймон. Гамильтонова томография фотонных решеток. Физ. Ред. А, 95 (6): 062120, 2017. 10.1103/​PhysRevA.95.062120.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.062120

[30] Моейн Малекахлах, Ишвар Магесан и Дэвид С. Маккей. Анализ первых принципов работы затвора с перекрестным резонансом. Физ. Ред. А, 102 (4): 042605, 2020. 10.1103/​PhysRevA.102.042605.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.042605

[31] Дэниел Мальц и Адам Смит. Топологическая двумерная решетка Флоке на одном сверхпроводящем кубите. Физ. Rev. Lett., 126 (16): 163602, 2021. 10.1103/​PhysRevLett.126.163602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.163602

[32] Мэтт МакИвен, Лара Фаоро, Кунал Арья, Эндрю Дансуорт, Трент Хуанг, Сон Ким, Брайан Беркетт, Остин Фаулер, Фрэнк Арут, Джозеф С. Бардин и др. Разрешение катастрофических всплесков ошибок от космических лучей в больших массивах сверхпроводящих кубитов. Нат. Phys., 18 (1): 107–111, 2022. 10.1038/​s41567-021-01432-8.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01432-8

[33] Мюллер, Клеменс Хаммерер, Ю.Л. Чжоу, Кристиан Ф. Роос и П. Золлер. Моделирование открытых квантовых систем: от многочастичных взаимодействий к стабилизаторной накачке. Новый журнал физики, 13 (8): 085007, 2011. 10.1088/​1367-2630/​13/​8/​085007.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​13/​8/​085007

[34] Никола Панкотти, Джакомо Джудиче, Дж. Игнасио Сирак, Хуан П. Гаррахан и Мари Кармен Банулс. Модель квантового Востока: локализация, нетепловые собственные состояния и медленная динамика. Физ. Ред. X, 10 (2): 021051, 2020. 10.1103/​PhysRevX.10.021051.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.021051

[35] Синьхуа Пэн, Цзянфэн Ду и Дитер Сутер. Квантовый фазовый переход запутанности в основном состоянии в спиновой цепочке Гейзенберга, смоделированный на квантовом компьютере ЯМР. Физ. Rev. A, 71 (1): 012307, 2005. 10.1103/​PhysRevA.71.012307.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.012307

[36] Джон Прескилл Квантовые вычисления в эпоху NISQ и за ее пределами. Quantum, 2: 79, 2018. 10.22331 / q-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[37] Чад Ригетти и Мишель Деворе. Полностью перестраиваемые СВЧ-диапазоном универсальные вентили в сверхпроводящих кубитах с линейными связями и фиксированными частотами перехода. Физ. Rev. B, 81 (13): 134507, 2010. 10.1103/​PhysRevB.81.134507.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.81.134507

[38] Педрам Роушан, Чарльз Нил, Дж. Тангпанитанон, Виктор М. Бастидас, А. Мегрант, Рами Барендс, Ю Чен, З. Чен, Б. Кьяро, А. Дансворт и др. Спектроскопические признаки локализации взаимодействующих фотонов в сверхпроводящих кубитах. Science, 358 (6367): 1175–1179, 2017. 10.1126/​science.aao1401.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aao1401

[39] Сара Шелдон, Ишвар Магесан, Джерри М. Чоу и Джей М. Гамбетта. Процедура систематической настройки перекрестных помех в затворе перекрестного резонанса. Физ. Rev. A, 93 (6): 060302(R), 2016. 10.1103/​PhysRevA.93.060302.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.060302

[40] Адам Смит, М.С. Ким, Фрэнк Поллманн и Йоханнес Кнолле. Моделирование квантовой динамики многих тел на современном цифровом квантовом компьютере. npj Quantum Inf., 5 (1): 1–13, 2019. 10.1038/​s41534-019-0217-0.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0217-0

[41] Винай Трипати, Мостафа Хезри и Александр Коротков. Функционирование и баланс внутренних ошибок двухкубитного вентиля с перекрестным резонансом. Физ. Ред. А, 100 (1): 012301, 2019. 10.1103/​PhysRevA.100.012301.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.012301

[42] Хейл Ф. Троттер. О произведении полугрупп операторов. Труды Американского математического общества, 10 (4): 545–551, 1959. 10.2307/​2033649.
https: / / doi.org/ 10.2307 / 2033649

[43] Йозеф Воврош и Йоханнес Кнолле. Динамика удержания и запутанности на цифровом квантовом компьютере. наук. Rep., 11 (1): 1–8, 2021. 10.1038/​s41598-021-90849-5.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-021-90849-5

[44] Джозеф Воврош, Киран Э. Хосла, Шон Гринуэй, Кристофер Селф, Мьюнгшик С. Ким и Йоханнес Нолле. Простое смягчение глобальных деполяризующих ошибок в квантовом моделировании. Физ. Rev. E, 104 (3): 035309, 2021. 10.1103/​PhysRevE.104.035309.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.104.035309

[45] Шэн-Тао Ван, Дун-Лин Дэн и Лу-Мин Дуань. Гамильтонова томография квантовых систем многих тел с произвольными связями. New J. Phys., 17 (9): 093017, 2015. 10.1088/​1367-2630/​17/​9/​093017.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​9/​093017

[46] Сэмюэл А. Уилкинсон и Майкл Дж. Хартманн. Сверхпроводящие квантовые схемы многих тел для квантового моделирования и вычислений. Прил. Физ. Письма., 116 (23): 230501, 2020. 10.1063/​5.0008202.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0008202

[47] Синьюань Ю, Цзывэнь Хуан, Угур Альянак, Александр Романенко, Анна Граселлино и Шаоцзян Чжу. Стабилизация и улучшение когерентности кубитов путем разработки спектра шума двухуровневых систем. Физ. Rev. Applied, 18 (4): 044026, 2022. 10.1103/​PhysRevApplied.18.044026.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.18.044026

[48] Цинлин Чжу, Чжэн-Хан Сунь, Мин Гун, Фушен Чен, Ю-Жань Чжан, Юлинь Ву, Янсен Е, Чэнь Чжа, Шаовэй Ли, Шаоцзюнь Го и др. Наблюдение термализации и скремблирования информации в сверхпроводящем квантовом процессоре. Физ. Rev. Lett., 128 (16): 160502, 2022. 10.1103/​PhysRevLett.128.160502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.160502

Цитируется

[1] Наоки Канадзава, Даниэль Эггер, Яэль Бен-Хаим, Хелена Чжан, Уильям Шэнкс, Гади Александрович и Кристофер Вуд, «Эксперименты Qiskit: пакет Python для характеристики и калибровки квантовых компьютеров», Журнал программного обеспечения с открытым исходным кодом 8 84, 5329 (2023).

[2] Юйсян Пэн, Джейкоб Янг, Пэнъюй Лю и Сяоди Ву, «SimuQ: основа для программирования квантового гамильтонового моделирования с аналоговой компиляцией», Arxiv: 2303.02775, (2023).

Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2024-02-22 13:05:17). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.

Не удалось получить Перекрестная ссылка на данные во время последней попытки 2024-02-22 13:05:15: Не удалось получить цитируемые данные для 10.22331 / q-2024-02-22-1263 от Crossref. Это нормально, если DOI был зарегистрирован недавно.

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал