論文の概要: Sequential quantum simulation of spin chains with a single circuit QED device

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2308.16229v1
• Date: Wed, 30 Aug 2023 18:00:03 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-09-01 18:49:50.661630
• Title: Sequential quantum simulation of spin chains with a single circuit QED device
• Title（参考訳）: 単一回路QEDデバイスを用いたスピン鎖の逐次量子シミュレーション
• Authors: Yuxuan Zhang, Shahin Jahanbani, Ameya Riswadkar, S. Shankar, and Andrew C. Potter
• Abstract要約: 物質科学と化学における多体系の量子シミュレーションは量子コンピュータに有望な応用分野である。 我々は、高絡み合った量子多体スピンチェーンの基底状態をシミュレートするために、単一回路の量子電磁力学デバイスをどのように利用できるかを示す。 量子ビットのみのアーキテクチャでは、キャビティの広い状態空間が複数の量子ビットを置き換えるために利用でき、そのため、材料シミュレーションのための量子プロセッサの設計を単純化できることを示した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.841833052422423
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
• Abstract: Quantum simulation of many-body systems in materials science and chemistry are promising application areas for quantum computers. However, the limited scale and coherence of near-term quantum processors pose a significant obstacle to realizing this potential. Here, we theoretically outline how a single-circuit quantum electrodynamics (cQED) device, consisting of a transmon qubit coupled to a long-lived cavity mode, can be used to simulate the ground state of a highly-entangled quantum many-body spin chain. We exploit recently developed methods for implementing quantum operations to sequentially build up a matrix product state (MPS) representation of a many-body state. This approach re-uses the transmon qubit to read out the state of each spin in the chain and exploits the large state space of the cavity as a quantum memory encoding inter-site correlations and entanglement. We show, through simulation, that analog (pulse-level) control schemes can accurately prepare a known MPS representation of a quantum critical spin chain in significantly less time than digital (gate-based) methods, thereby reducing the exposure to decoherence. We then explore this analog-control approach for the variational preparation of an unknown ground state. We demonstrate that the large state space of the cavity can be used to replace multiple qubits in a qubit-only architecture, and could therefore simplify the design of quantum processors for materials simulation. We explore the practical limitations of realistic noise and decoherence and discuss avenues for scaling this approach to more complex problems that challenge classical computational methods.
• Abstract（参考訳）: 物質科学と化学における多体系の量子シミュレーションは量子コンピュータに有望な応用分野である。 しかし、短期量子プロセッサのスケールとコヒーレンスは、この可能性を実現する上で大きな障害となる。 ここでは、長寿命キャビティモードに結合したトランスモン量子ビットからなる単一回路量子電磁力学(cqed)デバイスを用いて、高エンタングル量子多体スピンチェーンの基底状態をシミュレーションする方法を理論的に概説する。 我々は最近,多体状態の行列積状態(MPS)表現を逐次構築する量子演算の実装法を開発した。 このアプローチでは、トランスモン量子ビットを用いてチェーン内の各スピンの状態を読み出し、そのキャビティの大きな状態空間を、サイト間相関と絡み合いを符号化する量子メモリとして利用する。 シミュレーションにより、アナログ(パルスレベル)制御スキームは、量子臨界スピンチェーンの既知のMPS表現を、デジタル(ゲートベース)法よりもはるかに少ない時間で正確に作成でき、デコヒーレンスへの露出を低減できることを示す。 次に、未知基底状態の変分準備のためのこのアナログ制御手法を検討する。 我々は,キャビティの広い状態空間は,量子ビットのみのアーキテクチャで複数の量子ビットを置き換えることができることを実証し,材料シミュレーションのための量子プロセッサの設計を単純化できることを示した。 本稿では,現実的な雑音とデコヒーレンスの実用的限界を探求し,古典的計算手法に挑戦するより複雑な問題に対して,このアプローチをスケールするための道筋について論じる。

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