Kvantno računanje na podlagi meritev v končnih enodimenzionalnih sistemih: vrstni red nizov implicira računsko moč

Kvantno računanje na podlagi meritev v končnih enodimenzionalnih sistemih: vrstni red nizov implicira računsko moč

Robert Raussendorf1,2, Wang Yang3in Arnab Adhikary4,2

1Univerza Leibniz Hannover, Hannover, Nemčija
2Stewart Blusson Quantum Matter Institute, Univerza Britanske Kolumbije, Vancouver, Kanada
3Fakulteta za fiziko, Univerza Nankai, Tianjin, Kitajska
4Oddelek za fiziko in astronomijo, Univerza Britanske Kolumbije, Vancouver, Kanada

Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.

Minimalizem

Predstavljamo nov okvir za ocenjevanje moči kvantnega računanja na podlagi meritev (MBQC) na zapletenih simetričnih stanjih virov kratkega dosega v prostorski dimenziji ena. Zahteva manj predpostavk, kot je bilo znano doslej. Formalizem lahko obravnava končno razširjene sisteme (v nasprotju s termodinamično mejo) in ne zahteva prevodne invariantnosti. Nadalje krepimo povezavo med računalniško močjo MBQC in vrstnim redom nizov. Ugotavljamo namreč, da kadarkoli je ustrezna množica parametrov vrstnega reda nizov različna od nič, je mogoče ustrezen niz enotnih vrat realizirati z natančnostjo, ki je poljubno blizu enotnosti.

Computational phases of quantum matter are symmetry-protected phases with uniform computational power for measurement-based quantum computation. Being phases, they are defined for infinite systems only. But then, how is the computational power affected when transitioning from infinite to finite systems? A practical motivation for this question is that quantum computation is about efficiency, hence resource counting. In this paper, we develop a formalism that can handle finite one-dimensional spin systems, and strengthen the relation between string order and computational power.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] R. Raussendorf in H.-J. Briegel, Enosmerni kvantni računalnik, Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001). doi: 10.1103/​PhysRevLett.86.5188.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.86.5188

[2] D. Gross, ST Flammia in J. Eisert, Večina kvantnih stanj je preveč zapletenih, da bi bila uporabna kot računalniški viri, Phys. Rev. Lett. 102, 190501 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevLett.102.190501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.190501

[3] AC Doherty in SD Bartlett, Identifying Phases of Quantum Many-Body Systems That Are Universal for Quantum Computation, Phys. Rev. Lett. 103, 020506 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevLett.103.020506.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.020506

[4] T. Chung, SD Bartlett in AC Doherty, Karakterizacija kvantnih vrat, ki temeljijo na meritvah, v kvantnih sistemih več teles z uporabo korelacijskih funkcij, Can. J. Phys. 87, 219 (2009). doi: 10.1139/P08-112.
https://​/​doi.org/​10.1139/​P08-112

[5] A. Miyake, Kvantno računanje na robu topološkega reda, zaščitenega s simetrijo, Phys. Rev. Lett. 105, 040501 (2010). doi: 10.1103/​PhysRevLett.105.040501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.040501

[6] AS Darmawan, GK Brennen, SD Bartlett, Kvantno računanje na podlagi meritev v dvodimenzionalni fazi snovi, New J. Phys. 14, 013023 (2012). doi: 10.1088/​1367-2630/​14/​1/​013023.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​14/​1/​013023

[7] DV Else, I. Schwarz, SD Bartlett in AC Doherty, Simetrično zaščitene faze za kvantno računanje na podlagi meritev, Phys. Rev. Lett. 108, 240505 (2012). doi: 10.1103/​PhysRevLett.108.240505.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.240505

[8] DV Else, SD Bartlett in AC Doherty, Zaščita simetrije kvantnega računanja na podlagi meritev v osnovnih stanjih, New J. Phys. 14, 113016 (2012). doi: 10.1088/​1367-2630/​14/​11/​113016.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​14/​11/​113016

[9] ZC Gu in XG Wen, Renormalizacijski pristop s filtriranjem tenzorskega zapleta in topološki red, zaščiten s simetrijo, Phys. Rev. B 80, 155131 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevB.80.155131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.80.155131

[10] X. Chen, ZC Gu in XG Wen, Lokalna enotna transformacija, kvantna prepletenost dolgega dosega, renormalizacija valovne funkcije in topološki red, Phys. Rev. B 82, 155138 (2010). doi: 10.1103/​PhysRevB.82.155138.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.82.155138

[11] Norbert Schuch, David Perez-Garcia in Ignacio Cirac, Klasificiranje kvantnih faz z uporabo stanj matričnega produkta in predvidenih stanj zapletenih parov, Phys. Rev. B 84, 165139 (2011). doi: 10.1103/​PhysRevB.84.165139.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.84.165139

[12] Yoshiko Ogata, Klasifikacija topoloških faz, zaščitenih s simetrijo, v kvantnih spinskih verigah, arXiv:2110.04671. doi: 10.48550/​arXiv.2110.04671.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2110.04671
arXiv: 2110.04671

[13] X. Chen, ZC Gu, ZX Liu, XG Wen, Simetrično zaščiteni topološki redi in skupinska kohomologija njihove simetrične skupine, Phys. Rev. B 87, 155114 (2013). doi: 10.1103/​PhysRevB.87.155114.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.87.155114

[14] R. Raussendorf, J. Harrington, K. Goyal, Enosmerni kvantni računalnik, odporen na napake, Ann. Phys. (NY) 321, 2242 (2006). doi: 10.1016/​j.aop.2006.01.012.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2006.01.012

[15] J. Miller in A. Miyake, Kakovost virov topološko urejene faze, zaščitene s simetrijo, za kvantno računanje, Phys. Rev. Lett. 114, 120506 (2015). doi: 10.1103/​PhysRevLett.114.120506.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.120506

[16] Robert Raussendorf, Dongsheng Wang, Abhishodh Prakash, Tzu-Chieh Wei, David Stephen, Topološke faze, zaščitene s simetrijo, z enotno računsko močjo v eni dimenziji, Phys. Rev. A 96, 012302 (2017). doi: 10.1103/​PhysRevA.96.012302.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.012302

[17] DT Stephen, D.-S. Wang, A. Prakash, T.-C. Wei, R. Raussendorf, Računska moč topoloških faz, zaščitenih s simetrijo, Phys. Rev. Lett. 119, 010504 (2017). doi: 10.1103/​PhysRevLett.119.010504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.010504

[18] DT Stephen, Računska moč enodimenzionalnih topoloških faz, zaščitenih s simetrijo, magistrsko delo, Univerza Britanske Kolumbije (2017). doi: 10.14288/​1.0354465.
https: / / doi.org/ 10.14288 / 1.0354465

[19] R. Raussendorf, C. Okej, D.-S. Wang, DT Stephen in HP Nautrup, Računalniško univerzalna faza kvantne snovi, Phys. Rev. Lett. 122, 090501 (2019). doi: 10.1103/​PhysRevLett.122.090501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.090501

[20] T. Devakul in DJ Williamson, Univerzalno kvantno računanje z uporabo faz grozdov, zaščitenih s fraktalno simetrijo, Phys. Rev. A 98, 022332 (2018). doi: 10.1103/​PhysRevA.98.022332.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.022332

[21] David T. Stephen, Hendrik Poulsen Nautrup, Juani Bermejo-Vega, Jens Eisert, Robert Raussendorf, Podsistemske simetrije, kvantni celični avtomati in računske faze kvantne snovi, Quantum 3, 142 (2019). doi: 10.22331/​q-2019-05-20-142.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-05-20-142

[22] Austin K. Daniel, Rafael N. Alexander, Akimasa Miyake, Računalniška univerzalnost topološko urejenih faz grozdov, zaščitenih s simetrijo, na 2D Arhimedovih mrežah, Quantum 4, 228 (2020). doi: 10.22331/​q-2020-02-10-228.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-02-10-228

[23] A. Miyake, Kvantna računska zmogljivost trdne faze 2D valenčne vezi, Ann. Phys. 326, 1656-1671 (2011). doi: 10.1016/​j.aop.2011.03.006.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2011.03.006

[24] Tzu-Chieh Wei, Ian Affleck, Robert Raussendorf, The Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki State on a Honeycomb Lattice is a Universal Quantum Computational Resource, Phys. Rev. Lett. 106, 070501 (2011). doi: 10.1103/​PhysRevLett.106.070501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.070501

[25] Sam Roberts in Stephen D. Bartlett, Samopopravljajoči se kvantni spomini, zaščiteni s simetrijo, Phys. Rev. X 10, 031041 (2020). doi: 10.1103/​PhysRevX.10.031041.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.031041

[26] D. Gross in J. Eisert, Nove sheme za kvantno računanje na podlagi meritev, Phys. Rev. Lett. 98, 220503 (2007). doi: 10.1103/​PhysRevLett.98.220503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.220503

[27] Gabriel Wong, Robert Raussendorf, Bartlomiej Czech The Gauge Theory of Measurement-Based Quantum Computation, arXiv:2207.10098. doi: 10.48550/​arXiv.2207.10098.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2207.10098
arXiv: 2207.10098

[28] M. den Nijs in K. Rommelse, Predhodni prehodi na kristalnih površinah in faze valenčne vezi v kvantnih spinskih verigah, Phys. Rev. B 40, 4709 (1989). doi: 10.1103/​PhysRevB.40.4709.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.40.4709

[29] H. Tasaki, Kvantna tekočina v antiferomagnetnih verigah: Stohastični geometrijski pristop k Haldanovi vrzeli, Phys. Rev. Lett. 66, 798 (1991). doi: 10.1103/​PhysRevLett.66.798.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.66.798

[30] D. Perez-Garcia, MM Wolf, M. Sanz, F. Verstraete in JI Cirac, Vrstni red in simetrije v kvantnih spinskih mrežah, Phys. Rev. Lett. 100, 167202 (2008). doi: 10.1103/​PhysRevLett.100.167202.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.167202

[31] A. Molnar, J. Garre-Rubio, D. Perez-Garcia, N. Schuch, JI Cirac, Normal projected entangled pair states generating the same state, New J. Phys. 20, 113017 (2018). doi: 10.1088/​1367-2630/​aae9fa.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aae9fa

[32] JI Cirac, D. Perez-Garcia, N. Schuch in F. Verstraete, Matrična produktna stanja in predvidena stanja zapletenih parov: Koncepti, simetrije, izreki, Rev. Mod. Phys. 93, 045003 (2021). doi: 10.1103/​RevModPhys.93.045003.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.93.045003

[33] MB Hastings, Lieb-Schultz-Mattis v višjih dimenzijah, Phys. Rev. B 69, 104431 (2004). doi: 10.1103/​PhysRevB.69.104431.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.69.104431

[34] Bei Zeng, Xie Chen, Duan-Lu Zhou, Xiao-Gang Wen, Kvantna informacija sreča kvantno snov – od kvantnega zapleta do topološke faze v sistemih z več telesi, Springer (2019). doi: 10.48550/​arXiv.1508.02595.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1508.02595

[35] CE Agrapidis, J. van den Brink in S. Nishimoto, Urejena stanja v modelu Kitaev-Heisenberg: od 1D verig do 2D satja, Sci. Rep. 8, 1815 (2018). doi: 10.1038/​s41598-018-19960-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-018-19960-4

[36] W. Yang, A. Nocera, T. Tummuru, H.-Y. Kee in I. Affleck, Fazni diagram verige Spin-1/​2 Kitaev-Gamma in nastajajoče SU(2) simetrije, Phys. Rev. Lett. 124, 147205 (2020). doi: 10.1103/​PhysRevLett.124.147205.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.147205

[37] W. Yang, A. Nocera in I. Affleck, Celovita študija faznega diagrama verige spin-1/​2 Kitaev-Heisenberg-Gamma, Phys. Rev. Research 2, 033268 (2020). doi: 10.1103/​PhysRevResearch.2.033268.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033268

[38] Q. Luo, J. Zhao, X. Wang in H.-Y. Kee, Razkritje faznega diagrama spin-$frac{1}{2}$ $K$-$Gamma$ verige z izmenično vezjo, Phys. Rev. B 103, 144423 (2021). doi: 10.1103/​PhysRevB.103.144423.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.103.144423

[39] W. Yang, A. Nocera, P. Herringer, R. Raussendorf, I. Affleck, Analiza simetrije izmenično vezanih spinskih verig in lestev Kitaev, Phys. Rev. B 105, 094432 (2022). doi: 10.1103/​PhysRevB.105.094432.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.105.094432

[40] W. Yang, A. Nocera, C. Xu, H.-Y. Kee, I. Affleck, Nasprotno vrteča se spirala, cikcak in 120$^circ$ ukazi iz analize sklopljene verige modela Kitaev-Gamma-Heisenberg in razmerja do iridatov satja, arXiv:2207.02188. doi: 10.48550/​arXiv.2207.02188.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2207.02188
arXiv: 2207.02188

[41] A. Kitaev, Anyons v natančno rešenem modelu in naprej, Ann. Phys. (N. Y). 321, 2 (2006). doi: 10.1016/​j.aop.2005.10.005.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2005.10.005

[42] C. Nayak, SH Simon, A. Stern, M. Freedman in S. Das Sarma, Non-Abelian anyons and topological quantum computation, Rev. Mod. Phys. 80, 1083 (2008). doi: 10.1103/​RevModPhys.80.1083.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.80.1083

[43] G. Jackeli in G. Khaliullin, Mott Insulators in the Strong Spin-Orbit Coupling Limit: From Heisenberg to a Quantum Compass and Kitaev Models, Phys. Rev. Lett. 102, 017205 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevLett.102.017205.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.017205

[44] JG Rau, EKH Lee in HY Kee, Generic spin model for the honeycomb iridates onkraj meje Kitaev, Phys. Rev. Lett. 112, 077204 (2014). doi: 10.1103/​PhysRevLett.112.077204.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.077204

[45] JG Rau, EK-H. Lee in H.-Y. Kee, Spin-Orbit Physics Giving Rise to Novel Phases in Correlated Systems: Iridates and Related Materials, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 7, 195 (2016). doi: 10.1146/​annurev-conmatphys-031115-011319.
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-conmatphys-031115-011319

[46] SM Winter, AA Tsirlin, M. Daghofer, J. van den Brink, Y. Singh, P. Gegenwart in R. Valentí, Models and materials for generalized Kitaev magnetism, J. Phys. Condens. Zadeva 29, 493002 (2017). doi: 10.1088/​1361-648X/​aa8cf5.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1361-648X/​aa8cf5

[47] M. Hermanns, I. Kimchi in J. Knolle, Fizika Kitajevskega modela: frakcionalizacija, dinamične korelacije in materialne povezave, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 9, 17 (2018). doi: 10.1146/​annurev-conmatphys-033117-053934.
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-conmatphys-033117-053934

[48] FDM Haldane, Nelinearna teorija polja Heisenbergovih antiferomagnetov z velikim spinom: semiklasično kvantizirani solitoni enodimenzionalnega Néelovega stanja z enostavno osjo, Phys. Rev. Lett. 50, 1153 (1983). doi: 10.1103/​PhysRevLett.50.1153.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.50.1153

[49] I. Affleck, T. Kennedy, EH Lieb in H. Tasaki, Strogi rezultati o osnovnih stanjih valenčne vezi v antiferomagnetih, Phys. Rev. Lett. 59, 799 (1987). doi: 10.1103/​PhysRevLett.59.799.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.59.799

[50] X. Chen, Z.-C. Gu in X.-G. Wen, Klasifikacija simetričnih faz z vrzelmi v enodimenzionalnih spinskih sistemih, Phys. Rev. B 83, 035107 (2011). doi: 10.1103/​PhysRevB.83.035107.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.83.035107

[51] David T. Stephen, Wen Wei Ho, Tzu-Chieh Wei, Robert Raussendorf, Ruben Verresen, Univerzalno kvantno računanje na podlagi meritev v enodimenzionalni arhitekturi, ki jo omogočajo dvojno-enotna vezja, arXiv:2209.06191. doi: 10.48550/​arXiv.2209.06191.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2209.06191
arXiv: 2209.06191

[52] R. Raussendorf in HJ Briegel, Računalniški model, na katerem temelji enosmerni kvantni računalnik, Quant. Inf. Comp. 6, 443 (2002). doi: 10.48550/​arXiv.quant-ph/​0108067.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0108067
arXiv: kvant-ph / 0108067

[53] D. Aharonov, A. Kitaev, N. Nisan, Kvantna vezja z mešanimi stanji, Proc. 30. letnega simpozija ACM o teoriji računalništva in quant-ph/​9806029 (1998). doi: 10.48550/​arXiv.quant-ph/​9806029.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​9806029
arXiv: kvant-ph / 9806029

[54] Austin K. Daniel in Akimasa Miyake, Kvantna računalniška prednost s parametri vrstnega reda nizov enodimenzionalnega topološkega reda, zaščitenega s simetrijo, Phys. Rev. Lett. 126, 090505 (2021). doi: 10.1103/​PhysRevLett.126.090505.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.090505

[55] G. Brassard, A. Broadbent in A. Tapp, Kvantna psevdo-telepatija, Osnove fizike 35, 1877 (2005). doi: 10.1007/​s10701-005-7353-4.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10701-005-7353-4

[56] S. Kochen in EP Specker, Problem skritih spremenljivk v kvantni mehaniki, J. Math. Meh. 17, 59 (1967). http://​/​www.jstor.org/​stable/​24902153.
http: / / www.jstor.org/ stable / 24902153

[57] Janet Anders, Dan E. Browne, Računska moč korelacije, Phys. Rev. Lett. 102, 050502 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevLett.102.050502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.050502

[58] N. David Mermin, Skrite spremenljivke in dva izreka Johna Bella, Rev. Mod. Phys. 65, 803 (1993). doi: 10.1103/​RevModPhys.65.803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.65.803

[59] Abhishodh Prakash, Tzu-Chieh Wei, Osnovna stanja 1D topoloških faz, zaščitenih s simetrijo, in njihova uporabnost kot stanja virov za kvantno računanje, Phys. Rev. A 92, 022310 (2015). doi: 10.1103/​PhysRevA.92.022310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.022310

[60] Robert Raussendorf, Kontekstualnost v kvantnem računanju na podlagi meritev, Phys. Rev. A 88, 022322 (2013). doi: 10.1103/​PhysRevA.88.022322.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.022322

[61] Matthew Fishman, Steven R. White, E. Miles Stoudenmire, ITensor Software Library for Tensor Network Calculations, SciPost Phys. Codebases 4 (2022). doi: 10.21468/​SciPostPhysCodeb.4.
https://​/​doi.org/​10.21468/​SciPostPhysCodeb.4

[62] Arnab Adhikary, https://​/​github.com/​Quantumarnab/​SPT_Phases.
https://​/​github.com/​Quantumarnab/​SPT_Phases

Navedel

[1] Chukwudubem Umeano, Annie E. Paine, Vincent E. Elfving in Oleksandr Kyriienko, »Kaj se lahko naučimo iz kvantnih konvolucijskih nevronskih mrež?«, arXiv: 2308.16664, (2023).

[2] Hiroki Sukeno in Takuya Okuda, »Kvantna simulacija Abelovih teorij merilne mreže na podlagi meritev«, SciPost Fizika 14 5, 129 (2023).

[3] Yifan Hong, David T. Stephen in Aaron J. Friedman, "Kvantna teleportacija implicira s simetrijo zaščiten topološki red", arXiv: 2310.12227, (2023).

[4] James Lambert in Erik S. Sørensen, »State space geometry of the spin-1 antiferromagnetic Heisenberg chain«, Fizični pregled B 107 17, 174427 (2023).

[5] Zhangjie Qin, Daniel Azses, Eran Sela, Robert Raussendorf in VW Scarola, »Redundant String Symmetry-Based Error Correction: Experiments on Quantum Devices«, arXiv: 2310.12854, (2023).

[6] Dawid Paszko, Dominic C. Rose, Marzena H. Szymańska in Arijeet Pal, "Robni načini in simetrično zaščitena topološka stanja v odprtih kvantnih sistemih", arXiv: 2310.09406, (2023).

[7] Arnab Adhikary, Wang Yang in Robert Raussendorf, "Protiintuitivni, a učinkoviti režimi za kvantno računanje na podlagi meritev na simetrično zaščitenih spinskih verigah", arXiv: 2307.08903, (2023).

Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2023-12-28 09:51:46). Seznam je morda nepopoln, saj vsi založniki ne dajejo ustreznih in popolnih podatkov o citiranju.

Pridobitve ni bilo mogoče Crossref citirani podatki med zadnjim poskusom 2023-12-28 09:51:44: Citiranih podatkov za 10.22331 / q-2023-12-28-1215 od Crossrefa ni bilo mogoče pridobiti. To je normalno, če je bil DOI registriran pred kratkim.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal