Avanços em Teorias de Gauge em Rede através da Computação Quântica
Novas pesquisas mostram como a dinâmica de carga e cordas funciona usando computação quântica.
Tyler A. Cochran, Bernhard Jobst, Eliott Rosenberg, Yuri D. Lensky, Gaurav Gyawali, Norhan Eassa, Melissa Will, Dmitry Abanin, Rajeev Acharya, Laleh Aghababaie Beni, Trond I. Andersen, Markus Ansmann, Frank Arute, Kunal Arya, Abraham Asfaw, Juan Atalaya, Ryan Babbush, Brian Ballard, Joseph C. Bardin, Andreas Bengtsson, Alexander Bilmes, Alexandre Bourassa, Jenna Bovaird, Michael Broughton, David A. Browne, Brett Buchea, Bob B. Buckley, Tim Burger, Brian Burkett, Nicholas Bushnell, Anthony Cabrera, Juan Campero, Hung-Shen Chang, Zijun Chen, Ben Chiaro, Jahan Claes, Agnetta Y. Cleland, Josh Cogan, Roberto Collins, Paul Conner, William Courtney, Alexander L. Crook, Ben Curtin, Sayan Das, Sean Demura, Laura De Lorenzo, Agustin Di Paolo, Paul Donohoe, Ilya Drozdov, Andrew Dunsworth, Alec Eickbusch, Aviv Moshe Elbag, Mahmoud Elzouka, Catherine Erickson, Vinicius S. Ferreira, Leslie Flores Burgos, Ebrahim Forati, Austin G. Fowler, Brooks Foxen, Suhas Ganjam, Robert Gasca, Élie Genois, William Giang, Dar Gilboa, Raja Gosula, Alejandro Grajales Dau, Dietrich Graumann, Alex Greene, Jonathan A. Gross, Steve Habegger, Monica Hansen, Matthew P. Harrigan, Sean D. Harrington, Paula Heu, Oscar Higgott, Jeremy Hilton, Hsin-Yuan Huang, Ashley Huff, William J. Huggins, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Chaitali Joshi, Pavol Juhas, Dvir Kafri, Hui Kang, Amir H. Karamlou, Kostyantyn Kechedzhi, Trupti Khaire, Tanuj Khattar, Mostafa Khezri, Seon Kim, Paul V. Klimov, Bryce Kobrin, Alexander N. Korotkov, Fedor Kostritsa, John Mark Kreikebaum, Vladislav D. Kurilovich, David Landhuis, Tiano Lange-Dei, Brandon W. Langley, Kim-Ming Lau, Justin Ledford, Kenny Lee, Brian J. Lester, Loïck Le Guevel, Wing Yan Li, Alexander T. Lill, William P. Livingston, Aditya Locharla, Daniel Lundahl, Aaron Lunt, Sid Madhuk, Ashley Maloney, Salvatore Mandrà, Leigh S. Martin, Orion Martin, Cameron Maxfield, Jarrod R. McClean, Matt McEwen, Seneca Meeks, Anthony Megrant, Kevin C. Miao, Reza Molavi, Sebastian Molina, Shirin Montazeri, Ramis Movassagh, Charles Neill, Michael Newman, Anthony Nguyen, Murray Nguyen, Chia-Hung Ni, Murphy Yuezhen Niu, William D. Oliver, Kristoffer Ottosson, Alex Pizzuto, Rebecca Potter, Orion Pritchard, Chris Quintana, Ganesh Ramachandran, Matthew J. Reagor, David M. Rhodes, Gabrielle Roberts, Kannan Sankaragomathi, Kevin J. Satzinger, Henry F. Schurkus, Michael J. Shearn, Aaron Shorter, Noah Shutty, Vladimir Shvarts, Volodymyr Sivak, Spencer Small, W. Clarke Smith, Sofia Springer, George Sterling, Jordan Suchard, Aaron Szasz, Alex Sztein, Douglas Thor, M. Mert Torunbalci, Abeer Vaishnav, Justin Vargas, Sergey Vdovichev, Guifre Vidal, Catherine Vollgraff Heidweiller, Steven Waltman, Shannon X. Wang, Brayden Ware, Theodore White, Kristi Wong, Bryan W. K. Woo, Cheng Xing, Z. Jamie Yao, Ping Yeh, Bicheng Ying, Juhwan Yoo, Noureldin Yosri, Grayson Young, Adam Zalcman, Yaxing Zhang, Ningfeng Zhu, Nicholas Zobris, Sergio Boixo, Julian Kelly, Erik Lucero, Yu Chen, Vadim Smelyanskiy, Hartmut Neven, Adam Gammon-Smith, Frank Pollmann, Michael Knap, Pedram Roushan
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Índice
- Introdução às Teorias de Gauge em Rede
- Qubits e Computação Quântica
- Técnicas Experimentais e Medição de Precisão
- Evolução Temporal e Técnicas Aleatórias
- Preparação de Estado Projetivo
- Implementação de Circuitos e Erros
- Desacoplamento Dinâmico e Mitigação de Erros
- Observações da Dinâmica de Carga
- O Papel da Decoerência
- Modelos de Despolarização Global
- Investigando a Dinâmica das Cordas
- Conclusão
- Fonte original
Este artigo fala sobre avanços na compreensão do comportamento de cargas e cordas em uma estrutura específica chamada teorias de gauge em rede. A gente explora como essas ideias podem ser aplicadas usando computadores quânticos, que oferecem uma nova maneira de investigar sistemas complexos.
Introdução às Teorias de Gauge em Rede
As teorias de gauge em rede oferecem um jeito de estudar a física de partículas e suas interações. Elas utilizam uma grade para simplificar as equações complexas que governam as interações de partículas na mecânica quântica. Nesse framework, as quantidades físicas são representadas nos pontos dessa grade.
Um aspecto interessante dessas teorias é o conceito de cargas e como elas interagem entre si. As cargas podem ser influenciadas por campos externos, levando à formação de cordas. Essas cordas representam conexões ou interações entre diferentes cargas.
Qubits e Computação Quântica
Computadores quânticos funcionam usando qubits, que são as unidades básicas de informação quântica. Uma grade de qubits pode simular o comportamento de partículas e suas interações de forma eficaz. Neste trabalho, uma grade de 45 qubits é usada, onde certos qubits representam interações de gauge físicas, e outros têm funções diferentes para manter o sistema estável.
Nesse experimento, várias configurações de qubits foram exploradas, e o desempenho foi avaliado com base em quão bem os qubits trabalham juntos. Isso é fundamental porque uma comunicação eficaz entre os qubits pode levar a resultados melhores na simulação de processos físicos.
Técnicas Experimentais e Medição de Precisão
Ao conduzir tais experimentos, é essencial medir a precisão das operações. Isso envolve determinar quanto erro ocorre durante a execução das portas quânticas, que são as operações básicas nos qubits.
Erros podem surgir de diferentes fontes no dispositivo quântico. Por exemplo, erros podem acontecer durante a preparação do estado inicial, durante as operações nos qubits e na fase final de medição. Conhecer esses erros permite que os pesquisadores mitiguem seus efeitos.
Nos experimentos realizados, a precisão das operações dos qubits foi determinada usando técnicas de benchmarking. Os resultados mostraram taxas de erro específicas, que indicam quão confiavelmente os qubits realizavam suas tarefas.
Evolução Temporal e Técnicas Aleatórias
Uma parte importante dos experimentos quânticos envolve a evolução do sistema ao longo do tempo. Essa evolução ajuda os pesquisadores a entender como o sistema se comporta sob várias condições. Neste trabalho, foi usada a Trotterização, que quebra a evolução complexa em etapas mais simples, facilitando a simulação.
Para combater erros induzidos pela evolução no tempo, um método chamado compilação aleatória foi implementado. Isso envolve introduzir aleatoriedade na sequência de operações para suavizar erros coerentes de forma eficaz. Com isso, os pesquisadores conseguiram manter a confiabilidade de suas medições.
Preparação de Estado Projetivo
A preparação de estado é crucial na computação quântica, pois define as condições iniciais para qualquer experimento. Uma técnica de preparação de estado projetivo foi empregada, que garante que certos qubits permaneçam inalterados enquanto os outros evoluem. Essa abordagem garante que o núcleo do sistema mantenha sua coerência durante longos ciclos de evolução.
Neste estudo, os qubits ancilla-que ajudam a estabilizar o sistema-permaneceram em um estado constante enquanto os qubits principais passaram por múltiplos ciclos de Trotter. Manter esses qubits estáveis é fundamental para garantir que o sistema geral se comporte como esperado.
Implementação de Circuitos e Erros
Os circuitos usados neste trabalho foram projetados usando portas específicas adaptadas às características dos qubits. Cada circuito é composto por uma série de operações envolvendo portas de um e dois qubits. Essas operações são críticas para simular a física subjacente do sistema.
Durante a implementação, algumas portas foram substituídas por outras que são mais fáceis de executar no processador quântico. Por exemplo, portas C-NOT foram usadas com frequência para criar o entrelaçamento necessário entre os qubits.
Apesar da implementação rigorosa, erros dominantes surgiram principalmente das portas de entrelaçamento e dos processos finais de leitura. Assim, entender esses erros é vital para melhorar os resultados de experimentos futuros.
Desacoplamento Dinâmico e Mitigação de Erros
Para combater os efeitos prejudiciais do ruído e da decoerência, o desacoplamento dinâmico foi empregado. Essa técnica envolve aplicar sequências específicas de operações para manter a coerência entre os qubits, que é crucial para o funcionamento correto do sistema quântico.
Além disso, técnicas de pós-seleção permitiram que os pesquisadores escolhessem resultados de medições específicos que reduziram significativamente as taxas de erro. Focando em resultados que gerassem resultados consistentes, menos influenciados pela decoerência, eles puderam obter uma visão mais clara da dinâmica do sistema.
Observações da Dinâmica de Carga
Durante os experimentos, a dinâmica de separação das excitações elétricas foi monitorada. Essas excitações se comportam de forma semelhante a partículas e apresentam padrões de movimento únicos ao longo do tempo.
Os experimentos indicaram que a separação entre as excitações flutuava de acordo com as condições iniciais e os controles implementados durante a evolução. Distâncias iniciais de separação diferentes forneceram percepções variadas sobre como as excitações se comportam.
Quando as excitações estavam mais próximas, seus padrões de movimento tendiam a oscilar, enquanto as que estavam mais afastadas exibiram um comportamento diferente. Observar esses padrões ajuda a entender como as cargas interagem ao longo do tempo dentro da estrutura da grade.
O Papel da Decoerência
A decoerência representa um desafio significativo na computação quântica, pois leva à perda de informação e fidelidade nas operações. O estudo destacou como a decoerência influencia o movimento das excitações e o desempenho geral do sistema quântico.
Analisando os efeitos da decoerência, os pesquisadores puderam estabelecer métodos para controlar melhor os resultados dos experimentos. Com o tempo, gerenciar esses efeitos se torna crucial para garantir que o estado quântico permaneça estável o suficiente para permitir medições precisas.
Modelos de Despolarização Global
Para refinar ainda mais as medições, modelos de despolarização global foram integrados à análise. Essa abordagem estima o ruído geral que afeta o sistema e fornece um meio de comparar os resultados experimentais com previsões teóricas.
Através desses modelos, os pesquisadores puderam discernir o impacto do ruído em todo o sistema, em vez de focar apenas em qubits específicos. Essa visão holística proporcionou uma melhor compreensão do desempenho do dispositivo e de como diferentes fontes de ruído afetam os resultados das medições.
Investigando a Dinâmica das Cordas
O comportamento das cordas conectando as excitações elétricas foi examinado de perto ao longo dos experimentos. As cordas oferecem insights sobre as interações entre as excitações e servem como um recurso essencial nas teorias de gauge em rede.
Observando como as cordas se formaram e se comportaram sob várias condições, os pesquisadores puderam entender melhor o confinamento das excitações. Notaram que as cordas exibem comportamentos dinâmicos que podem sinalizar transições entre diferentes fases da matéria.
Ao analisar essa dinâmica das cordas, os pesquisadores avaliaram com que frequência as cordas conseguiam se esticar à medida que as excitações se afastavam de suas posições iniciais. Entender a tensão da corda permitiu que eles inferissem mais sobre a natureza das interações entre as cargas dentro da grade.
Conclusão
A pesquisa forneceu insights valiosos sobre as dinâmicas de cargas e cordas nas teorias de gauge em rede. Usar um computador quântico permitiu uma abordagem nova para estudar esses fenômenos, o que pode abrir caminho para mais avanços no campo da física quântica.
O uso de qubits e técnicas sofisticadas como desacoplamento dinâmico, preparação de estado projetivo e mitigação de erros permitiu que os pesquisadores capturassem efetivamente as interações e comportamentos intrincados de cargas e cordas.
À medida que as tecnologias quânticas continuam a evoluir, este trabalho representa um passo à frente na utilização da computação quântica para explorar sistemas físicos complexos, levando a entendimentos mais profundos e potenciais aplicações em vários domínios científicos.
Título: Visualizing Dynamics of Charges and Strings in (2+1)D Lattice Gauge Theories
Resumo: Lattice gauge theories (LGTs) can be employed to understand a wide range of phenomena, from elementary particle scattering in high-energy physics to effective descriptions of many-body interactions in materials. Studying dynamical properties of emergent phases can be challenging as it requires solving many-body problems that are generally beyond perturbative limits. We investigate the dynamics of local excitations in a $\mathbb{Z}_2$ LGT using a two-dimensional lattice of superconducting qubits. We first construct a simple variational circuit which prepares low-energy states that have a large overlap with the ground state; then we create particles with local gates and simulate their quantum dynamics via a discretized time evolution. As the effective magnetic field is increased, our measurements show signatures of transitioning from deconfined to confined dynamics. For confined excitations, the magnetic field induces a tension in the string connecting them. Our method allows us to experimentally image string dynamics in a (2+1)D LGT from which we uncover two distinct regimes inside the confining phase: for weak confinement the string fluctuates strongly in the transverse direction, while for strong confinement transverse fluctuations are effectively frozen. In addition, we demonstrate a resonance condition at which dynamical string breaking is facilitated. Our LGT implementation on a quantum processor presents a novel set of techniques for investigating emergent particle and string dynamics.
Autores: Tyler A. Cochran, Bernhard Jobst, Eliott Rosenberg, Yuri D. Lensky, Gaurav Gyawali, Norhan Eassa, Melissa Will, Dmitry Abanin, Rajeev Acharya, Laleh Aghababaie Beni, Trond I. Andersen, Markus Ansmann, Frank Arute, Kunal Arya, Abraham Asfaw, Juan Atalaya, Ryan Babbush, Brian Ballard, Joseph C. Bardin, Andreas Bengtsson, Alexander Bilmes, Alexandre Bourassa, Jenna Bovaird, Michael Broughton, David A. Browne, Brett Buchea, Bob B. Buckley, Tim Burger, Brian Burkett, Nicholas Bushnell, Anthony Cabrera, Juan Campero, Hung-Shen Chang, Zijun Chen, Ben Chiaro, Jahan Claes, Agnetta Y. Cleland, Josh Cogan, Roberto Collins, Paul Conner, William Courtney, Alexander L. Crook, Ben Curtin, Sayan Das, Sean Demura, Laura De Lorenzo, Agustin Di Paolo, Paul Donohoe, Ilya Drozdov, Andrew Dunsworth, Alec Eickbusch, Aviv Moshe Elbag, Mahmoud Elzouka, Catherine Erickson, Vinicius S. Ferreira, Leslie Flores Burgos, Ebrahim Forati, Austin G. Fowler, Brooks Foxen, Suhas Ganjam, Robert Gasca, Élie Genois, William Giang, Dar Gilboa, Raja Gosula, Alejandro Grajales Dau, Dietrich Graumann, Alex Greene, Jonathan A. Gross, Steve Habegger, Monica Hansen, Matthew P. Harrigan, Sean D. Harrington, Paula Heu, Oscar Higgott, Jeremy Hilton, Hsin-Yuan Huang, Ashley Huff, William J. Huggins, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Chaitali Joshi, Pavol Juhas, Dvir Kafri, Hui Kang, Amir H. Karamlou, Kostyantyn Kechedzhi, Trupti Khaire, Tanuj Khattar, Mostafa Khezri, Seon Kim, Paul V. Klimov, Bryce Kobrin, Alexander N. Korotkov, Fedor Kostritsa, John Mark Kreikebaum, Vladislav D. Kurilovich, David Landhuis, Tiano Lange-Dei, Brandon W. Langley, Kim-Ming Lau, Justin Ledford, Kenny Lee, Brian J. Lester, Loïck Le Guevel, Wing Yan Li, Alexander T. Lill, William P. Livingston, Aditya Locharla, Daniel Lundahl, Aaron Lunt, Sid Madhuk, Ashley Maloney, Salvatore Mandrà, Leigh S. Martin, Orion Martin, Cameron Maxfield, Jarrod R. McClean, Matt McEwen, Seneca Meeks, Anthony Megrant, Kevin C. Miao, Reza Molavi, Sebastian Molina, Shirin Montazeri, Ramis Movassagh, Charles Neill, Michael Newman, Anthony Nguyen, Murray Nguyen, Chia-Hung Ni, Murphy Yuezhen Niu, William D. Oliver, Kristoffer Ottosson, Alex Pizzuto, Rebecca Potter, Orion Pritchard, Chris Quintana, Ganesh Ramachandran, Matthew J. Reagor, David M. Rhodes, Gabrielle Roberts, Kannan Sankaragomathi, Kevin J. Satzinger, Henry F. Schurkus, Michael J. Shearn, Aaron Shorter, Noah Shutty, Vladimir Shvarts, Volodymyr Sivak, Spencer Small, W. Clarke Smith, Sofia Springer, George Sterling, Jordan Suchard, Aaron Szasz, Alex Sztein, Douglas Thor, M. Mert Torunbalci, Abeer Vaishnav, Justin Vargas, Sergey Vdovichev, Guifre Vidal, Catherine Vollgraff Heidweiller, Steven Waltman, Shannon X. Wang, Brayden Ware, Theodore White, Kristi Wong, Bryan W. K. Woo, Cheng Xing, Z. Jamie Yao, Ping Yeh, Bicheng Ying, Juhwan Yoo, Noureldin Yosri, Grayson Young, Adam Zalcman, Yaxing Zhang, Ningfeng Zhu, Nicholas Zobris, Sergio Boixo, Julian Kelly, Erik Lucero, Yu Chen, Vadim Smelyanskiy, Hartmut Neven, Adam Gammon-Smith, Frank Pollmann, Michael Knap, Pedram Roushan
Última atualização: 2024-09-25 00:00:00
Idioma: English
Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2409.17142
Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2409.17142
Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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