論文の概要: Encoded probabilistic imaginary-time evolution on a trapped-ion quantum computer for ground and excited states of spin qubits
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2407.10555v1
- Date: Mon, 15 Jul 2024 09:07:54 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-07-16 15:40:56.941405
- Title: Encoded probabilistic imaginary-time evolution on a trapped-ion quantum computer for ground and excited states of spin qubits
- Title（参考訳）: スピン量子ビットの基底および励起状態に対する捕捉イオン量子コンピュータ上での確率的想像時間進化の符号化
- Authors: Hirofumi Nishi, Yuki Takei, Taichi Kosugi, Shunsuke Mieda, Yutaka Natsume, Takeshi Aoyagi, Yu-ichiro Matsushita,
- Abstract要約: 量子コンピュータを用いて、ダイヤモンドと窒化アルミニウムのスピン欠陥に対する低エネルギー有効ハミルトニアンを解く。
スピン一重項状態は密度汎関数理論(DFT)を用いて計算することは困難であり、これは複数のスレーター行列式によって記述されるべきである。
これは、符号化されたPITE回路が捕捉されたイオン量子コンピュータ上で実行される最初の例である。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: In this study, we employed a quantum computer to solve a low-energy effective Hamiltonian for spin defects in diamond (so-called NV centre) and wurtzite-type aluminium nitride, which are anticipated to be qubits. The probabilistic imaginary-time evolution (PITE) method, designed for use in a fault-tolerant quantum computer (FTQC) era, was employed to calculate the ground and excited states of the spin singlet state, as represented by the effective Hamiltonian. It is difficult to compute the spin singlet state correctly using density functional theory (DFT), which should be described by multiple Slater determinants. To mitigate the effects of quantum errors inherent in current quantum computers, we implemented a $[[ n+2,n,2 ]]$ quantum error detection (QED) code called the Iceberg code. Despite the inevitable destruction of the encoded state resulting from the measurement of the ancilla qubit at each PITE step, we were able to successfully re-encode and recover the logical success state. In the implementation of the PITE, it was observed that the effective Hamiltonian comprises large components of the diagonal part and a relatively small non-diagonal part, which is frequently the case with quantum chemistry calculations. An efficient implementation of Hamiltonian simulations, in which the diagonal components dominate, was developed on a quantum computer based on the second-order Trotter-Suzuki decomposition. This is the first instance of an encoded PITE circuit being executed on a trapped-ion quantum computer. Our results demonstrate that QED effectively reduces quantum errors and that we successfully obtained both the ground and excited states of the spin singlet state. Our demonstration clearly manifests that Zr$_{\rm Al}$V$_{\rm N}$, Ti$_{\rm Al}$V$_{\rm N}$, and Hf$_{\rm Al}$V$_{\rm N}$ defects have a high potential as spin qubits for quantum sensors.
- Abstract（参考訳）: 本研究では, 量子コンピュータを用いて, 量子ビットであることが期待されるダイヤモンド(いわゆるNV中心)およびウルツ石型窒化アルミニウムのスピン欠陥に対する低エネルギーハミルトニアンを解く。
フォールトトレラント量子コンピュータ(FTQC)時代に使用するために設計された確率的想像時間進化(PITE)法は、有効ハミルトニアンに代表されるスピン一重項状態の基底状態と励起状態を計算するために用いられた。
複数のスレーター行列式で記述すべき密度汎関数理論(DFT)を用いてスピン一重項状態を正確に計算することは困難である。
現在の量子コンピュータに固有の量子エラーの影響を軽減するため、Iceberg符号と呼ばれる$[[n+2,n,2 ]$の量子エラー検出(QED)コードを実装した。
PITEの各ステップにおけるアンシラ量子ビットの測定によるエンコード状態の破壊は避けられないものの,論理的成功状態の復号と復号に成功した。
PITEの実装において、有効ハミルトニアンは対角部と比較的小さな非対角部からなることが観察された。
対角成分が支配的なハミルトンシミュレーションの効率的な実装は、二次トロッタースズキ分解に基づく量子コンピュータ上で開発された。
これは、符号化されたPITE回路が捕捉されたイオン量子コンピュータ上で実行される最初の例である。
その結果、QEDは量子誤差を効果的に低減し、スピン一重項状態の基底状態と励起状態の両方を得ることに成功した。
Zr$_{\rm Al}$V$_{\rm N}$, Ti$_{\rm Al}$V$_{\rm N}$, Hf$_{\rm Al}$V$_{\rm N}$欠陥は量子センサーのスピン量子ビットとして高いポテンシャルを持つ。
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