Sabit Frekanslı Transmon Qubit'lerle Analog Kuantum Simülasyonu

Sabit Frekanslı Transmon Qubit'lerle Analog Kuantum Simülasyonu

Sean Greenaway1, Adam Smith2,3, Florian Mintert1,4ve Daniel Malz5,6

1Fizik Bölümü, Blackett Laboratuvarı, Imperial College London, Prince Consort Road, SW7 2BW, Birleşik Krallık
2Fizik ve Astronomi Okulu, Nottingham Üniversitesi, Nottingham, NG7 2RD, Birleşik Krallık
3Kuantum Denge Dışı Sistemlerin Matematik ve Teorik Fiziği Merkezi, Nottingham Üniversitesi, Nottingham, NG7 2RD, Birleşik Krallık
4Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Bautzner Landstraße 400, 01328 Dresden, Almanya
5Max-Planck-Kuantum Optik Enstitüsü, Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching, Almanya
6Fizik Bölümü, Technische Universität München, James-Franck-Straße 1, 85748 Garching, Almanya

Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.

Özet

Spin sistemlerinin analog kuantum simülasyonlarının gerçekleştirilmesi için sabit frekanslı ve sabit etkileşimli transmon kübitlerin uygunluğunu deneysel olarak değerlendiriyoruz. Bu amaç için gerekli bir dizi kriteri, tam kuantum süreç tomografisi ve daha verimli Hamilton tomografisi kullanarak ticari bir kuantum işlemci üzerinde test ediyoruz. Düşük genliklerdeki önemli tek kübit hataları, mevcut cihazlarda analog simülasyonların gerçekleştirilmesini engelleyen sınırlayıcı bir faktör olarak tanımlanmaktadır. Ayrıca, kübit ile düşük boyutlu ortam arasındaki tutarlı bağlantıyla tanımladığımız, tahrik darbelerinin yokluğunda sahte dinamikler buluyoruz. Orta düzeydeki iyileştirmelerle, zamana bağlı çok cisimli spin Hamiltonianlardan oluşan zengin bir ailenin analog simülasyonu mümkün olabilir.

► BibTeX verileri

► Referanslar

[1] Leonid V. Abdurakhimov, Imran Mahboob, Hiraku Toida, Kosuke Kakuyanagi, Yuichiro Matsuzaki ve Shiro Saito. Süperiletken kübitlerdeki farklı türdeki yüksek frekans kusurlarının tanımlanması. PRX Quantum, 3: 040332, Aralık 2022. 10.1103/​PRXQuantum.3.040332. URL 10.1103/PRXQuantum.3.040332.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040332

[2] MD SAJID ANIS, Abby-Mitchell, Héctor Abraham, AduOffei, Rochisha Agarwal, Gabriele Agliardi, Merav Aharoni, Vishnu Ajith, Ismail Yunus Akhalwaya, Gadi Aleksandrowicz ve diğerleri. Qiskit deneylerine github.com/​qiskit/​qiskit-experiments adresinden ulaşabilirsiniz. URL https://​/​github.com/​Qiskit/​qiskit-experiments.git.
https://​/​github.com/​Qiskit/​qiskit-experiments.git

[3] MD SAJID ANIS, Abby-Mitchell, Héctor Abraham, AduOffei, Rochisha Agarwal, Gabriele Agliardi, Merav Aharoni, Vishnu Ajith, Ismail Yunus Akhalwaya, Gadi Aleksandrowicz ve diğerleri. Qiskit: Kuantum hesaplama için açık kaynaklı bir çerçeve, 2021.

[4] Frank Arute, Kunal Arya, Ryan Babbush, Dave Bacon, Joseph C Bardin, Rami Barends, Rupak Biswas, Sergio Boixo, Fernando GSL Brandao, David A Buell, et al. Programlanabilir bir süper iletken işlemci kullanarak kuantum üstünlüğü. Doğa, 574 (7779): 505–510, 2019. 10.1038/​s41586-019-1666-5.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[5] Rami Barends, Alireza Shabani, Lucas Lamata, Julian Kelly, Antonio Mezzacapo, U Las Heras, Ryan Babbush, Austin G Fowler, Brooks Campbell, Yu Chen ve diğerleri. Süper iletken devre ile dijitalleştirilmiş adyabatik kuantum hesaplama. Nature, 534 (7606): 222–226, 2016. 10.1038/​nature17658.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature17658

[6] Alexandre Blais, Steven M Girvin ve William D Oliver. Kuantum bilgi işleme ve kuantum optiği ile devre kuantum elektrodinamiği. Nat. Phys., 16 (3): 247–256, 2020. 10.1038/​s41567-020-0806-z.
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-0806-z

[7] Rainer Blatt ve Christian F. Roos. Sıkışmış iyonlarla kuantum simülasyonları. Nat. Phys., 8 (4): 277–284, 2012. 10.1038/​nphys2252.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2252

[8] Antoine Browaeys ve Thierry Lahaye. Bireysel olarak kontrol edilen Rydberg atomlarıyla çok cisim fiziği. Nat. Phys., 16 (2): 132–142, 2020. 10.1038/​s41567-019-0733-z.
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-019-0733-z

[9] Jerry M Chow, Antonio D Córcoles, Jay M Gambetta, Chad Rigetti, Blake R Johnson, John A Smolin, Jim R Rozen, George A Keefe, Mary B Rothwell, Mark B Ketchen ve diğerleri. Sabit frekanslı süper iletken kübitler için basit, tamamen mikrodalga dolaştırma kapısı. Fizik. Rev. Lett., 107 (8): 080502, 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.080502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.080502

[10] J Ignacio Cirac ve Peter Zoller. Kuantum simülasyonunda hedefler ve fırsatlar. Nat. Phys., 8 (4): 264–266, 2012. 10.1038/​nphys2275.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2275

[11] SE de Graaf, L Faoro, LB Ioffe, S Mahashabde, JJ Burnett, T Lindström, SE Kubatkin, AV Danilov ve A Ya Tzalenchuk. Sıkışmış yarı parçacıklar nedeniyle süper iletken kuantum cihazlarındaki iki seviyeli sistemler. Bilim. Adv., 6 (51): eabc5055, 2020. 10.1126/​sciadv.abc5055.
https:/​/​doi.org/10.1126/​sciadv.abc5055

[12] David P DiVincenzo. Kuantum hesaplamanın fiziksel uygulaması. Fortschr. 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] Yuqian Dong, Yong Li, Wen Zheng, Yu Zhang, Zhuang Ma, Xinsheng Tan ve Yang Yu. Süper iletken bir transmon kübitte yarı parçacık difüzyonunun ölçümü. Başvuru Sci., 12 (17): 8461, 2022. 10.3390/​app12178461.
https:/​/​doi.org/10.3390/​app12178461

[14] Manuel Endres, Marc Cheneau, Takeshi Fukuhara, Christof Weitenberg, Peter Schauss, Christian Gross, Leonardo Mazza, Mari Carmen Banuls, L Pollet, Immanuel Bloch ve diğerleri. Düşük boyutlu Mott izolatörlerinde ilişkili parçacık-delik çiftlerinin ve dizi sırasının gözlemlenmesi. Science, 334 (6053): 200–203, 2011. 10.1126/​science.1209284.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1209284

[15] Iulia M Georgescu, Sahel Ashhab ve Franco Nori. Kuantum simülasyonu. Rev. Mod. Phys., 86 (1): 153, 2014. 10.1103/​RevModPhys.86.153.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.153

[16] Daniel Greif, Thomas Uehlinger, Gregor Jotzu, Leticia Tarruell ve Tilman Esslinger. Optik bir kafesteki ultra soğuk fermiyonların kısa menzilli kuantum manyetizması. Science, 340 (6138): 1307–1310, 2013. 10.1126/​science.1236362.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1236362

[17] Markus Greiner, Olaf Mandel, Tilman Esslinger, Theodor W Hänsch ve Immanuel Bloch. Ultra soğuk atomlardan oluşan bir gazda süperakışkandan Mott yalıtkanına kuantum faz geçişi. Nature, 415 (6867): 39–44, 2002. 10.1038/​415039a.
https: / / doi.org/ 10.1038 / 415039a

[18] Michael J Hartmann. Etkileşen fotonlarla kuantum simülasyonu. J. Opt., 18 (10): 104005, 2016. 10.1088/​2040-8978/​18/​10/​104005.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2040-8978/​18/​10/​104005

[19] Michael J Hartmann, Fernando GSL Brandao ve Martin B Plenio. Birleşik boşluk dizilerinde kuantum çok cisim olgusu. Laser Photonics Rev., 2 (6): 527–556, 2008. 10.1002/​lpor.200810046.
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.200810046

[20] Andrew A Houck, Hakan E Türeci ve Jens Koch. Süper iletken devrelerle çip üzerinde kuantum simülasyonu. Nat. Phys., 8 (4): 292–299, 2012. 10.1038/​nphys2251.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2251

[21] Manik Kapil, Bikash K Behera ve Prasanta K Panigrahi. Klein Gordon denkleminin kuantum simülasyonu ve Klein paradoksunun IBM kuantum bilgisayarında gözlemlenmesi. arXiv ön baskısı arXiv:1807.00521, 2018. 10.48550/​arXiv.1807.00521.
https:/​/​doi.org/10.48550/​arXiv.1807.00521
arXiv: 1807.00521

[22] Daniel Koch, Brett Martin, Saahil Patel, Laura Wessing ve Paul M Alsing. IBM'in 20 kübit kuantum bilgisayarında algoritma tasarımında NISQ döneminin zorluklarını gösteriyor. AIP Adv., 10 (9): 095101, 2020. 10.1063/​5.0015526.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0015526

[23] Philip Krantz, Morten Kjaergaard, Fei Yan, Terry P Orlando, Simon Gustavsson ve William D Oliver. Bir kuantum mühendisinin süperiletken kübitlere yönelik kılavuzu. Başvuru Fizik. Rev., 6 (2): 021318, 2019. 10.1063/​1.5089550.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5089550

[24] Ben P Lanyon, Cornelius Hempel, Daniel Nigg, Markus Müller, Rene Gerritsma, F Zähringer, Philipp Schindler, Julio T Barreiro, Markus Rambach, Gerhard Kirchmair ve diğerleri. Sıkışmış iyonlarla evrensel dijital kuantum simülasyonu. Science, 334 (6052): 57–61, 2011. 10.1126/​science.1208001.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1208001

[25] Zhi Li, Liujun Zou ve Timothy H Hsieh. Kuantum söndürme yoluyla Hamilton tomografisi. Fizik. Rev. Lett., 124 (16): 160502, 2020. 10.1103/​PhysRevLett.124.160502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.160502

[26] Jin Lin, Fu-Tian Liang, Yu Xu, Li-Hua Sun, Cheng Guo, Sheng-Kai Liao ve Cheng-Zhi Peng. Süper iletken kuantum hesaplama için ölçeklenebilir ve özelleştirilebilir isteğe bağlı dalga biçimi oluşturucu. AIP Adv., 9 (11): 115309, 2019. 10.1063/​1.5120299.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5120299

[27] Jürgen Lisenfeld, Grigorij J Grabovskij, Clemens Müller, Jared H Cole, Georg Weiss ve Alexey V Ustinov. Amorf bir malzemede doğrudan etkileşen tutarlı iki seviyeli sistemlerin gözlemlenmesi. Nat. Commun., 6 (1): 1–6, 2015. 10.1038/​ncomms7182.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms7182

[28] Seth Lloyd. Evrensel kuantum simülatörleri. Science, 273 (5278): 1073-1078, 1996. 10.1126 / science.273.5278.1073.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.273.5278.1073

[29] Ruichao Ma, Clai Owens, Aman LaChapelle, David I Schuster ve Jonathan Simon. Fotonik kafeslerin Hamilton tomografisi. Fizik. Rev. A, 95 (6): 062120, 2017. 10.1103/​PhysRevA.95.062120.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.062120

[30] Moein Malekakhlagh, Easwar Magesan ve David C McKay. Çapraz rezonans kapısı işleminin ilk prensip analizi. Fizik. Rev. A, 102 (4): 042605, 2020. 10.1103/​PhysRevA.102.042605.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.042605

[31] Daniel Malz ve Adam Smith. Tek bir süper iletken kübit üzerinde topolojik iki boyutlu Floquet kafesi. Fizik. Rev. Lett., 126 (16): 163602, 2021. 10.1103/​PhysRevLett.126.163602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.163602

[32] Matt McEwen, Lara Faoro, Kunal Arya, Andrew Dunsworth, Trent Huang, Seon Kim, Brian Burkett, Austin Fowler, Frank Arute, Joseph C Bardin ve diğerleri. Süperiletken kübitlerden oluşan geniş dizilerdeki kozmik ışınlardan kaynaklanan yıkıcı hata patlamalarının çözümü. Nat. Phys., 18 (1): 107–111, 2022. 10.1038/​s41567-021-01432-8.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01432-8

[33] M Müller, Klemens Hammerer, YL Zhou, Christian F Roos ve P Zoller. Açık kuantum sistemlerinin simüle edilmesi: Çoklu cisim etkileşimlerinden dengeleyici pompalamaya kadar. New Journal of Physics, 13 (8): 085007, 2011. 10.1088/​1367-2630/​13/​8/​085007.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​13/​8/​085007

[34] Nicola Pancotti, Giacomo Giudice, J Ignacio Cirac, Juan P Garrahan ve Mari Carmen Banuls. Kuantum Doğu modeli: Yerelleştirme, termal olmayan özdurumlar ve yavaş dinamikler. Fizik. Rev. X, 10 (2): 021051, 2020. 10.1103/​PhysRevX.10.021051.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.021051

[35] Xinhua Peng, Jiangfeng Du ve Dieter Suter. Bir NMR kuantum bilgisayarında simüle edilen bir Heisenberg spin zincirindeki temel durum dolaşıklığının kuantum faz geçişi. Fizik. Rev. A, 71 (1): 012307, 2005. 10.1103/​PhysRevA.71.012307.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.012307

[36] John Preskill. NISQ döneminde ve ötesinde kuantum hesaplama. Quantum, 2: 79, 2018. 10.22331 / q-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[37] Chad Rigetti ve Michel Devoret. Doğrusal bağlantılara ve sabit geçiş frekanslarına sahip süper iletken kübitlerdeki tamamen mikrodalgayla ayarlanabilen evrensel kapılar. Fizik. Rev. B, 81 (13): 134507, 2010. 10.1103/​PhysRevB.81.134507.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.81.134507

[38] Pedram Roushan, Charles Neill, J Tangpanitanon, Victor M Bastidas, A Megrant, Rami Barends, Yu Chen, Z Chen, B Chiaro, A Dunsworth, ve diğerleri. Süper iletken kubitlerde etkileşime giren fotonlarla yerelleştirmenin spektroskopik imzaları. Science, 358 (6367): 1175–1179, 2017. 10.1126/​science.aao1401.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aao1401

[39] Sarah Sheldon, Easwar Magesan, Jerry M Chow ve Jay M Gambetta. Çapraz rezonans kapısındaki çapraz konuşmayı sistematik olarak ayarlama prosedürü. Fizik. Rev. A, 93 (6): 060302(R), 2016. 10.1103/​PhysRevA.93.060302.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.060302

[40] Adam Smith, MS Kim, Frank Pollmann ve Johannes Knolle. Mevcut bir dijital kuantum bilgisayarında kuantum çoklu cisim dinamiğini simüle etmek. npj Quantum Inf., 5 (1): 1–13, 2019. 10.1038/​s41534-019-0217-0.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0217-0

[41] Vinay Tripathi, Mostafa Khezri ve Alexander N Korotkov. İki kübitlik bir çapraz rezonans kapısının çalışması ve içsel hata bütçesi. Fizik. Rev. A, 100 (1): 012301, 2019. 10.1103/​PhysRevA.100.012301.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.012301

[42] Hale F Trotter. Operatörlerin yarı gruplarının çarpımı üzerine. Amerikan Matematik Derneği Bildirileri, 10 (4): 545–551, 1959. 10.2307/​2033649.
https: / / doi.org/ 10.2307 / 2033649

[43] Joseph Vovrosh ve Johannes Knolle. Dijital kuantum bilgisayarda hapsetme ve dolaşma dinamikleri. Bilim. Temsilci, 11 (1): 1–8, 2021. 10.1038/​s41598-021-90849-5.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-021-90849-5

[44] Joseph Vovrosh, Kiran E Khosla, Sean Greenaway, Christopher Self, Myungshik S Kim ve Johannes Knolle. Kuantum simülasyonlarında küresel depolarizasyon hatalarının basit bir şekilde azaltılması. Fizik. Rev. E, 104 (3): 035309, 2021. 10.1103/​PhysRevE.104.035309.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.104.035309

[45] Sheng-Tao Wang, Dong-Ling Deng ve Lu-Ming Duan. Keyfi bağlantılara sahip kuantum çok cisimli sistemler için Hamilton tomografisi. 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] Samuel A Wilkinson ve Michael J Hartmann. Kuantum simülasyonu ve hesaplama için süper iletken kuantum çoklu cisim devreleri. Başvuru Fizik. Lett., 116 (23): 230501, 2020. 10.1063/​5.0008202.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0008202

[47] Xinyuan You, Ziwen Huang, Uğur Alyanak, Alexander Romanenko, Anna Grassellino ve Shaojiang Zhu. İki Seviyeli Sistemlerin Gürültü Spektrumunu Tasarlayarak Qubit Tutarlılığını Stabilize Etme ve İyileştirme. Fizik. Rev. Applied, 18 (4): 044026, 2022. 10.1103/​PhysRevApplied.18.044026.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.18.044026

[48] Qingling Zhu, Zheng-Hang Sun, Ming Gong, Fusheng Chen, Yu-Ran Zhang, Yulin Wu, Yangsen Ye, Chen Zha, Shaowei Li, Shaojun Guo ve diğerleri. Süper iletken bir kuantum işlemcide termalizasyon ve bilgi karıştırmanın gözlemlenmesi. Fizik. Rev. Lett., 128 (16): 160502, 2022. 10.1103/​PhysRevLett.128.160502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.160502

Alıntılama

[1] Naoki Kanazawa, Daniel Egger, Yael Ben-Haim, Helena Zhang, William Shanks, Gadi Aleksandrowicz ve Christopher Wood, "Qiskit Deneyleri: Kuantum bilgisayarları karakterize etmek ve kalibre etmek için bir Python paketi", Açık Kaynak Yazılım Dergisi 8 84, 5329 (2023).

[2] Yuxiang Peng, Jacob Young, Pengyu Liu ve Xiaodi Wu, "SimuQ: Analog Derlemeyle Kuantum Hamilton Simülasyonunun Programlanması İçin Bir Çerçeve", arXiv: 2303.02775, (2023).

Yukarıdaki alıntılar SAO / NASA REKLAMLARI (son başarıyla 2024-02-22 13:05:17) güncellendi. Tüm yayıncılar uygun ve eksiksiz alıntı verisi sağlamadığından liste eksik olabilir.

Getirilemedi Alıntılanan veriler son girişim sırasında 2024-02-22 13:05:15: Crossref'ten 10.22331 / q-2024-02-22-1263 için belirtilen veriler getirilemedi. DOI yakın zamanda kaydedildiyse bu normaldir.

Zaman Damgası:

Den fazla Kuantum Günlüğü