Аналогове квантове моделювання з трансмон-кубітами з фіксованою частотою

Аналогове квантове моделювання з трансмон-кубітами з фіксованою частотою

Мітка часу: 22 лютого 2024 8:02

Шон Грінуей1, Адам Сміт2,3, Флоріан Мінтерт1,4і Даніель Мальц5,6

1Фізичний факультет, лабораторія Блекетта, Імперський коледж Лондона, Принс-Консорт-роуд, SW7 2BW, Велика Британія
2Школа фізики та астрономії Ноттінгемського університету, Ноттінгем, NG7 2RD, Великобританія
3Центр математики та теоретичної фізики квантових нерівноважних систем, Ноттінгемський університет, Ноттінгем, NG7 2RD, Великобританія
4Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Bautzner Landstraße 400, 01328 Dresden, Німеччина
5Макса-Планка-Інститут квантової оптики, Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Гархінг, Німеччина
6Факультет фізики, Технічний університет Мюнхена, James-Franck-Straße 1, 85748 Garching, Німеччина

Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.

абстрактний

Ми експериментально оцінюємо придатність трансмон-кубітів із фіксованими частотами та фіксованими взаємодіями для реалізації аналогового квантового моделювання спінових систем. Ми перевіряємо набір необхідних критеріїв для цієї мети на комерційному квантовому процесорі, використовуючи повну квантову томографію процесу та більш ефективну томографію Гамільтона. Значні одиничні помилки кубіта при низьких амплітудах визначені як обмежуючий фактор, що перешкоджає реалізації аналогового моделювання на наявних на даний момент пристроях. Крім того, ми знаходимо помилкову динаміку за відсутності імпульсів приводу, яку ми ідентифікуємо з когерентним зв’язком між кубітом і низьковимірним середовищем. З помірними покращеннями може бути можливим аналогове моделювання багатого сімейства залежних від часу спінових гамільтоніанів багатьох тіл.

Analogue Quantum Simulation with Fixed-Frequency Transmon Qubits PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

► Дані BibTeX

► Список літератури

[1] Леонід В. Абдурахімов, Імран Махбуб, Хіраку Тойда, Косуке Какуянагі, Юічіро Мацузакі та Сіро Сайто. Ідентифікація різних типів високочастотних дефектів у надпровідних кубітах. PRX Quantum, 3: 040332, грудень 2022 р. 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 та ін. Експерименти Qiskit, доступні на github.com/​qiskit/​qiskit-experiments. URL-адреса 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 та ін. Qiskit: фреймворк з відкритим кодом для квантових обчислень, 2021.

[4] Френк Аруте, Кунал Арья, Раян Баббуш, Дейв Бекон, Джозеф Сі Бардін, Рамі Барендс, Рупак Бісвас, Серджіо Бойсо, Фернандо Г.С.Л. Брандао, Девід А. Бьюелл та ін. Квантова перевага за допомогою програмованого надпровідного процесора. Природа, 574 (7779): 505–510, 2019. 10.1038/​s41586-019-1666-5.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[5] Рамі Барендс, Аліреза Шабані, Лукас Ламата, Джуліан Келлі, Антоніо Меццакапо, У Лас Херас, Раян Беббуш, Остін Дж. Фаулер, Брукс Кемпбелл, Ю Чен та ін. Оцифровані адіабатичні квантові обчислення з надпровідним контуром. Nature, 534 (7606): 222–226, 2016. 10.1038/​nature17658.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature17658

[6] Александр Блейс, Стівен М. Гірвін і Вільям Д. Олівер. Квантова обробка інформації та квантова оптика з квантовою електродинамікою контурів. Нац. Phys., 16 (3): 247–256, 2020. 10.1038/​s41567-020-0806-z.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-0806-z

[7] Райнер Блатт і Крістіан Ф. Рус. Квантова симуляція із захопленими іонами. Нац. Phys., 8 (4): 277–284, 2012. 10.1038/​nphys2252.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nphys2252

[8] Антуан Бровей і Тьєррі Лайє. Фізика багатьох тіл з індивідуально керованими атомами Рідберга. Нац. Phys., 16 (2): 132–142, 2020. 10.1038/​s41567-019-0733-z.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-019-0733-z

[9] Джеррі М. Чоу, Антоніо Д. Корколес, Джей М. Гамбетта, Чад Рігетті, Блейк Р. Джонсон, Джон А. Смолін, Джим Р. Розен, Джордж А. Кіф, Мері Б. Ротуелл, Марк Б. Кетчен та ін. Простий мікрохвильовий заплутуючий затвор для надпровідних кубітів із фіксованою частотою. фіз. Rev. Lett., 107 (8): 080502, 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.080502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.080502

[10] Ігнасіо Сірак і Пітер Цоллер. Цілі та можливості квантового моделювання. Нац. 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, and A Ya Tzalenchuk. Дворівневі системи в надпровідних квантових пристроях за рахунок захоплених квазічастинок. наук. Adv., 6 (51): eabc5055, 2020. 10.1126/​sciadv.abc5055.
https://​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abc5055

[12] Девід П. ДіВінченцо. Фізична реалізація квантових обчислень. 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] Юцянь Донг, Юн Лі, Вень Чжен, Юй Чжан, Чжуан Ма, Сіньшен Тань і Ян Юй. Вимірювання дифузії квазічастинок у надпровідному трансмон кубіті. апл. Sci., 12 (17): 8461, 2022. 10.3390/​app12178461.
https://​/​doi.org/​10.3390/​app12178461

[14] Мануель Ендрес, Марк Шено, Такеші Фукухара, Крістоф Вайтенберг, Пітер Шаусс, Крістіан Гросс, Леонардо Мацца, Марі Кармен Банулс, Л. Полле, Іммануель Блох та ін. Спостереження корельованих пар частинка-дірка та порядку струн у низькорозмірних ізоляторах Мотта. Наука, 334 (6053): 200–203, 2011. 10.1126/​science.1209284.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1209284

[15] Юлія М. Джорджеску, Сахель Ашхаб і Франко Норі. Квантова симуляція. Rev. Mod. Phys., 86 (1): 153, 2014. 10.1103/​RevModPhys.86.153.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.153

[16] Даніель Грайф, Томас Улінгер, Грегор Йоцу, Летиція Тарруелл і Тілман Есслінгер. Короткодійний квантовий магнетизм ультрахолодних ферміонів в оптичній решітці. Наука, 340 (6138): 1307–1310, 2013. 10.1126/​science.1236362.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1236362

[17] Маркус Грейнер, Олаф Мандель, Тільман Есслінгер, Теодор В. Хенш та Іммануель Блох. Квантовий фазовий перехід від надтекучого до ізолятора Мотта в газі ультрахолодних атомів. Nature, 415 (6867): 39–44, 2002. 10.1038/​415039a.
https://​/​doi.org/​10.1038/​415039a

[18] Майкл Джей Гартманн. Квантова симуляція з взаємодіючими 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 Дж. С. Л. Брандао та Мартін Б. Пленіо. Квантові явища багатьох тіл у масивах пов’язаних порожнин. Laser Photonics Rev., 2 (6): 527–556, 2008. 10.1002/​lpor.200810046.
https://​/​doi.org/​10.1002/​lpor.200810046

[20] Ендрю Хоук, Хакан Е Тюречі та Єнс Кох. Квантова симуляція на кристалі з надпровідними ланцюгами. Нац. Phys., 8 (4): 292–299, 2012. 10.1038/​nphys2251.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nphys2251

[21] Манік Капіл, Бікаш К. Бехера та Прасанта К. Паніграхі. Квантова симуляція рівняння Клейна Гордона та спостереження парадоксу Клейна в квантовому комп’ютері IBM. Препринт arXiv arXiv:1807.00521, 2018. 10.48550/​arXiv.1807.00521.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1807.00521
arXiv: 1807.00521

[22] Даніель Кох, Бретт Мартін, Саахіл Пател, Лаура Вессінг і Пол М. Алсінг. Демонстрація викликів ери NISQ у розробці алгоритмів на 20-кубітному квантовому комп’ютері IBM. AIP Adv., 10 (9): 095101, 2020. 10.1063/​5.0015526.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0015526

[23] Філіп Кранц, Мортен К'єргаард, Фей Ян, Террі П. Орландо, Саймон Густавссон і Вільям Д. Олівер. Посібник квантового інженера щодо надпровідних кубітів. апл. фіз. Rev., 6 (2): 021318, 2019. 10.1063/​1.5089550.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5089550

[24] Бен П. Ланьйон, Корнеліус Хемпель, Даніель Нігг, Маркус Мюллер, Рене Геррітсма, Ф. Церингер, Філіп Шиндлер, Хуліо Т. Баррейро, Маркус Рамбах, Герхард Кірхмайр та ін. Універсальне цифрове квантове моделювання із захопленими іонами. Наука, 334 (6052): 57–61, 2011. 10.1126/​science.1208001.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1208001

[25] Чжі Лі, Люцзюнь Цзоу та Тімоті Х Сіє. Гамільтонова томографія через квантове гасіння. фіз. Rev. Lett., 124 (16): 160502, 2020. 10.1103/​PhysRevLett.124.160502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.160502

[26] Цзінь Лінь, Фу-Тянь Лян, Ю Сюй, Лі-Хуа Сун, Чен Го, Шен-Кай Ляо та Чен-Жі Пен. Масштабований і настроюваний генератор сигналів довільної форми для надпровідних квантових обчислень. AIP Adv., 9 (11): 115309, 2019. 10.1063/​1.5120299.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5120299

[27] Юрген Лізенфельд, Григорій Дж. Грабовський, Клеменс Мюллер, Джаред Х. Коул, Георг Вайс та Олексій В. Устинов. Спостереження безпосередньо взаємодіючих когерентних дворівневих систем в аморфному матеріалі. Нац. Commun., 6 (1): 1–6, 2015. 10.1038/​ncomms7182.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms7182

[28] Сет Ллойд. Універсальні квантові симулятори. Наука, 273 (5278): 1073–1078, 1996. 10.1126/​science.273.5278.1073.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.273.5278.1073

[29] Руйчао Ма, Клай Оуенс, Аман Лашапель, Девід I Шустер і Джонатан Саймон. Гамільтонова томографія фотонних ґраток. фіз. Rev. A, 95 (6): 062120, 2017. 10.1103/​PhysRevA.95.062120.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.062120

[30] Моен Малекахлаг, Ісвар Магесан і Девід Маккей. Аналіз основних принципів роботи затвора перехресного резонансу. фіз. Rev. A, 102 (4): 042605, 2020. 10.1103/​PhysRevA.102.042605.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.042605

[31] Даніель Мальц і Адам Сміт. Топологічна двовимірна решітка Флоке на одному надпровідному кубіті. фіз. Rev. Lett., 126 (16): 163602, 2021. 10.1103/​PhysRevLett.126.163602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.163602

[32] Метт Мак’юен, Лара Фаоро, Кунал Ар’я, Ендрю Дансуорт, Трент Хуанг, Сон Кім, Брайан Беркетт, Остін Фаулер, Френк Арут, Джозеф Бардін та ін. Усунення катастрофічних спалахів помилок від космічних променів у великих масивах надпровідних кубітів. Нац. Phys., 18 (1): 107–111, 2022. 10.1038/​s41567-021-01432-8.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-021-01432-8

[33] М. Мюллер, Клеменс Хаммерер, Ю. Л. Чжоу, Крістіан Ф. Роос і П. Цоллер. Моделювання відкритих квантових систем: від взаємодії багатьох тіл до накачування стабілізатора. 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] Нікола Панкотті, Джакомо Джудіче, Дж. Ігнасіо Сірак, Хуан П. Гаррахан і Марі Кармен Банулс. Квантова модель Сходу: локалізація, нетеплові власні стани та повільна динаміка. фіз. Ред. X, 10 (2): 021051, 2020. 10.1103/​PhysRevX.10.021051.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.021051

[35] Сіньхуа Пен, Цзянфен Ду та Дітер Сутер. Квантовий фазовий перехід заплутаності основного стану в спіновому ланцюгу Гейзенберга, змодельований у квантовому комп’ютері ЯМР. фіз. Rev. A, 71 (1): 012307, 2005. 10.1103/​PhysRevA.71.012307.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.012307

[36] Джон Прескілл. Квантові обчислення в епоху NISQ і за її межами. Квант, 2: 79, 2018. 10.22331/​q-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[37] Чед Рігетті та Мішель Деворе. Повністю регульовані мікрохвильові універсальні затвори в надпровідних кубітах з лінійними зв’язками та фіксованими частотами переходів. фіз. B, 81 (13): 134507, 2010. 10.1103/​PhysRevB.81.134507.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.81.134507

[38] Педрам Роушан, Чарльз Ніл, Дж. Тангпанітанон, Віктор М. Бастідас, А. Мегрант, Рамі Барендс, Ю. Чен, З. Чен, Б. Чіаро, А. Дансуорт та ін. Спектроскопічні сигнатури локалізації з взаємодіючими фотонами в надпровідних кубітах. Наука, 358 (6367): 1175–1179, 2017. 10.1126/​science.aao1401.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.aao1401

[39] Сара Шелдон, Ісвар Магесан, Джеррі М. Чоу та Джей М. Гамбетта. Процедура систематичного налаштування перехресних перешкод у перехресному резонансному затворі. фіз. Rev. A, 93 (6): 060302(R), 2016. 10.1103/​PhysRevA.93.060302.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.060302

[40] Адам Сміт, М. С. Кім, Френк Полманн і Йоганнес Кнолле. Моделювання квантової динаміки багатьох тіл на сучасному цифровому квантовому комп’ютері. npj Quantum Inf., 5 (1): 1–13, 2019. 10.1038/​s41534-019-0217-0.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0217-0

[41] Вінай Тріпаті, Мостафа Хезрі та Олександр Н. Коротков. Функціонування та бюджет внутрішньої помилки двокубітового крос-резонансного вентиля. фіз. Rev. A, 100 (1): 012301, 2019. 10.1103/​PhysRevA.100.012301.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.012301

[42] Хейл Ф. Троттер. Про добуток напівгруп операторів. Праці Американського математичного товариства, 10 (4): 545–551, 1959. 10.2307/​2033649.
https: / / doi.org/ 10.2307 / 2033649

[43] Йосип Воврош і Йоганнес Кнолле. Динаміка конфайнменту та заплутаності на цифровому квантовому комп’ютері. Sci. Rep., 11 (1): 1–8, 2021. 10.1038/​s41598-021-90849-5.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-021-90849-5

[44] Джозеф Воврош, Кіран Е Хосла, Шон Ґрінуей, Крістофер Селф, Мюнгшик С Кім та Йоганнес Кнолле. Просте пом'якшення глобальних деполяризаційних помилок у квантовому моделюванні. фіз. Rev. E, 104 (3): 035309, 2021. 10.1103/​PhysRevE.104.035309.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.104.035309

[45] Шен-Тао Ван, Донг-Лін Ден і Лу-Мінг Дуань. Гамільтонова томографія для квантових багаточастинних систем із довільним зв’язком. 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] Семюел А. Вілкінсон і Майкл Дж. Гартманн. Надпровідні квантові багаточастинні схеми для квантового моделювання та обчислень. апл. фіз. Lett., 116 (23): 230501, 2020. 10.1063/​5.0008202.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0008202

[47] Xinyuan You, Ziwen Huang, Ugur Alyanak, Alexander Romanenko, Anna Grassellino та Shaojiang Zhu. Стабілізація та покращення когерентності кубітів шляхом розробки спектру шуму дворівневих систем. фіз. Rev. Applied, 18 (4): 044026, 2022. 10.1103/​PhysRevApplied.18.044026.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.18.044026

[48] Цінлін Чжу, Чжен-Хан Сун, Мін Гун, Фушен Чен, Ю-Рань Чжан, Юлінь Ву, Янсен Є, Чень Чжа, Шаовей Лі, Шаоцзюнь Го та ін. Спостереження термалізації та скремблування інформації в надпровідному квантовому процесорі. фіз. Rev. Lett., 128 (16): 160502, 2022. 10.1103/​PhysRevLett.128.160502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.160502

Цитується

[1] Наокі Канадзава, Даніель Еггер, Яель Бен-Хаїм, Хелена Чжан, Вільям Шенкс, Гаді Александрович та Крістофер Вуд, «Експерименти Qiskit: пакет Python для характеристики та калібрування квантових комп’ютерів», Журнал програмного забезпечення з відкритим кодом 8 84, 5329 (2023).

[2] Yuxiang Peng, Jacob Young, Pengyu Liu та Xiaodi Wu, «SimuQ: структура для програмування квантового гамільтоніанського моделювання з аналоговою компіляцією», arXiv: 2303.02775, (2023).

Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2024-02-22 13:05:17). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.

Не вдалося отримати Перехресне посилання, наведене за даними під час останньої спроби 2024-02-22 13:05:15: Не вдалося отримати цитовані дані для 10.22331/q-2024-02-22-1263 з Crossref. Це нормально, якщо DOI був зареєстрований нещодавно.

Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.

Часова мітка:

Більше від Квантовий журнал