Mätbaserad kvantberäkning i finita endimensionella system: strängordning innebär beräkningskraft

Mätbaserad kvantberäkning i finita endimensionella system: strängordning innebär beräkningskraft

Källnod: 3037145

Robert Raussendorf1,2, Wang Yang3, och Arnab Adhikary4,2

1Leibniz University Hannover, Hannover, Tyskland
2Stewart Blusson Quantum Matter Institute, University of British Columbia, Vancouver, Kanada
3School of Physics, Nankai University, Tianjin, Kina
4Institutionen för fysik och astronomi, University of British Columbia, Vancouver, Kanada

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Vi presenterar ett nytt ramverk för att bedöma kraften i mätningsbaserad kvantberäkning (MBQC) på kortdistans intrasslade symmetriska resurstillstånd, i rumslig dimension ett. Det kräver färre antaganden än tidigare känt. Formalismen kan hantera ändligt utökade system (i motsats till den termodynamiska gränsen), och kräver ingen translationsinvarians. Vidare stärker vi kopplingen mellan MBQC beräkningskraft och strängordning. Vi fastställer nämligen att närhelst en lämplig uppsättning parametrar för strängordning är icke-noll, kan en motsvarande uppsättning enhetliga grindar realiseras med trohet godtyckligt nära enhet.

Beräkningsfaser av kvantmateria är symmetriskyddade faser med enhetlig beräkningskraft för mätningsbaserad kvantberäkning. Eftersom de är faser definieras de endast för oändliga system. Men hur påverkas då beräkningskraften vid övergång från oändliga till ändliga system? En praktisk motivering för denna fråga är att kvantberäkning handlar om effektivitet, därav resursräkning. I denna artikel utvecklar vi en formalism som kan hantera ändliga endimensionella spinnsystem och stärka relationen mellan strängordning och beräkningskraft.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] R. Raussendorf och H.-J. Briegel, En enkelriktad kvantdator, Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001). doi: 10.1103/​PhysRevLett.86.5188.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.86.5188

[2] D. Gross, S. T. Flammia och J. Eisert, De flesta kvantstater är för intrasslade för att vara användbara som beräkningsresurser, Phys. Rev. Lett. 102, 190501 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevLett.102.190501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.190501

[3] A. C. Doherty och S. D. Bartlett, Identifying Phases of Quantum Many-Body Systems That Are Universal for Quantum Computing, Phys. Rev. Lett. 103, 020506 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevLett.103.020506.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.020506

[4] T. Chung, S. D. Bartlett och A. C. Doherty, Characterizing measurement-based quantum gates in quantum many-body systems using correlation functions, Can. J. Phys. 87, 219 (2009). doi: 10.1139/​P08-112.
https://​/​doi.org/​10.1139/​P08-112

[5] A. Miyake, Kvantberäkning på kanten av en symmetriskyddad topologisk ordning, Phys. Rev. Lett. 105, 040501 (2010). doi: 10.1103/​PhysRevLett.105.040501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.040501

[6] SOM. Darmawan, G.K. Brennen, S.D. Bartlett, Mätbaserad kvantberäkning i en tvådimensionell fas av materia, New J. Phys. 14, 013023 (2012). doi: 10.1088/​1367-2630/​14/​1/​013023.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​14/​1/​013023

[7] D.V. Else, I. Schwarz, S.D. Bartlett och A.C. Doherty, Symmetriskyddade faser för mätningsbaserad kvantberäkning, Phys. Rev. Lett. 108, 240505 (2012). doi: 10.1103/​PhysRevLett.108.240505.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.240505

[8] D.V. Else, S.D. Bartlett och A.C. Doherty, Symmetry protection of measurement-based quantum computation in ground states, New J. Phys. 14, 113016 (2012). doi: 10.1088/​1367-2630/​14/​11/​113016.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​14/​11/​113016

[9] Z.C. Gu och X.G. Wen, Tensor-entanglement-filtrering renormaliseringsmetod och symmetriskyddad topologisk ordning, Phys. Rev. B 80, 155131 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevB.80.155131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.80.155131

[10] X. Chen, Z.C. Gu och X.G. Wen, Lokal enhetlig transformation, långväga kvantentanglement, vågfunktionsrenormalisering och topologisk ordning, Phys. Rev. B 82, 155138 (2010). doi: 10.1103/​PhysRevB.82.155138.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.82.155138

[11] Norbert Schuch, David Perez-Garcia och Ignacio Cirac, Klassificering av kvantfaser med hjälp av matrisprodukttillstånd och projicerade intrasslade partillstånd, Phys. Rev. B 84, 165139 (2011). doi: 10.1103/​PhysRevB.84.165139.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.84.165139

[12] Yoshiko Ogata, Klassificering av symmetriskyddade topologiska faser i kvantspinnkedjor, arXiv:2110.04671. doi: 10.48550/​arXiv.2110.04671.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2110.04671
arXiv: 2110.04671

[13] X. Chen, Z.C. Gu, Z.X. Liu, X.G. Wen, Symmetri skyddade topologiska ordningar och gruppkohomologin för deras symmetrigrupp, Phys. Rev. B 87, 155114 (2013). doi: 10.1103/​PhysRevB.87.155114.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.87.155114

[14] R. Raussendorf, J. Harrington, K. Goyal, En feltolerant envägs kvantdator, Ann. Phys. (N.Y.) 321, 2242 (2006). doi: 10.1016/​j.aop.2006.01.012.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2006.01.012

[15] J. Miller och A. Miyake, Resource Quality of a Symmetry-Protected Topologically Ordered Phase for Quantum Computation, Phys. Rev. Lett. 114, 120506 (2015). doi: 10.1103/​PhysRevLett.114.120506.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.120506

[16] Robert Raussendorf, Dongsheng Wang, Abhishodh Prakash, Tzu-Chieh Wei, David Stephen, Symmetriskyddade topologiska faser med enhetlig beräkningskraft i en dimension, Phys. Rev. A 96, 012302 (2017). doi: 10.1103/​PhysRevA.96.012302.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.012302

[17] D.T. Stephen, D.-S. Wang, A. Prakash, T.-C. Wei, R. Raussendorf, Computational Power of Symmetri-Protected Topological Phases, Phys. Rev. Lett. 119, 010504 (2017). doi: 10.1103/​PhysRevLett.119.010504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.010504

[18] D.T. Stephen, Beräkningskraft för endimensionella symmetriskyddade topologiska faser, MSc Thesis, University of British Columbia (2017). doi: 10.14288/​1.0354465.
https: / / doi.org/ 10.14288 / 1.0354465

[19] R. Raussendorf, C. Okej, D.-S. Wang, D. T. Stephen och H. P. Nautrup, Computationally universal phase of quantum matter, Phys. Rev. Lett. 122, 090501 (2019). doi: 10.1103/​PhysRevLett.122.090501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.090501

[20] T. Devakul och D.J. Williamson, Universell kvantberäkning med fraktalsymmetriskyddade klusterfaser, Phys. Rev. A 98, 022332 (2018). doi: 10.1103/​PhysRevA.98.022332.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.022332

[21] David T. Stephen, Hendrik Poulsen Nautrup, Juani Bermejo-Vega, Jens Eisert, Robert Raussendorf, Subsystem symmetries, quantum cellular automata, and computational phases of quantum matter, Quantum 3, 142 (2019). doi: 10.22331/​q-2019-05-20-142.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-05-20-142

[22] Austin K. Daniel, Rafael N. Alexander, Akimasa Miyake, Computational universality of symmetry-protected topologically ordered cluster phases on 2D Archimedean lattices, Quantum 4, 228 (2020). doi: 10.22331/​q-2020-02-10-228.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-02-10-228

[23] A. Miyake, Kvantberäkningsförmåga hos en 2D-valensbindning i fast fas, Ann. Phys. 326, 1656-1671 (2011). doi: 10.1016/​j.aop.2011.03.006.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2011.03.006

[24] Tzu-Chieh Wei, Ian Affleck, Robert Raussendorf, Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki State on a Honeycomb Lattice är en universell kvantberäkningsresurs, Phys. Rev. Lett. 106, 070501 (2011). doi: 10.1103/​PhysRevLett.106.070501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.070501

[25] Sam Roberts och Stephen D. Bartlett, Symmetry-Protected Self-Correcting Quantum Memories, Phys. Rev. X 10, 031041 (2020). doi: 10.1103/​PhysRevX.10.031041.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.031041

[26] D. Gross och J. Eisert, Nya scheman för mätningsbaserad kvantberäkning, Phys. Rev. Lett. 98, 220503 (2007). doi: 10.1103/​PhysRevLett.98.220503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.220503

[27] Gabriel Wong, Robert Raussendorf, Bartlomiej Tjeckien The Gauge Theory of Measurement-Based Quantum Computation, arXiv:2207.10098. doi: 10.48550/​arXiv.2207.10098.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2207.10098
arXiv: 2207.10098

[28] M. den Nijs och K. Rommelse, Preroughening övergångar i kristallytor och valensbindningsfaser i quantum spin chains, Phys. Rev. B 40, 4709 (1989). doi: 10.1103/​PhysRevB.40.4709.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.40.4709

[29] H. Tasaki, Quantum liquid in antiferromagnetic chains: A stochastic geometric approach to the Haldane gap, Phys. Rev. Lett. 66, 798 (1991). doi: 10.1103/​PhysRevLett.66.798.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.66.798

[30] D. Perez-Garcia, M.M. Wolf, M. Sanz, F. Verstraete och J.I. Cirac, String Order and Symmetries in Quantum Spin Lattices, Phys. Rev. Lett. 100, 167202 (2008). doi: 10.1103/​PhysRevLett.100.167202.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.167202

[31] A. Molnar, J. Garre-Rubio, D. Perez-Garcia, N. Schuch, J.I. Cirac, normala projicerade intrasslade partillstånd som genererar samma tillstånd, New J. Phys. 20, 113017 (2018). doi: 10.1088/​1367-2630/​aae9fa.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aae9fa

[32] J.I. Cirac, D. Perez-Garcia, N. Schuch och F. Verstraete, Matrix-produkttillstånd och projicerade intrasslade partillstånd: Begrepp, symmetrier, teorem, Rev. Mod. Phys. 93, 045003 (2021). doi: 10.1103/​RevModPhys.93.045003.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.93.045003

[33] M.B. Hastings, Lieb-Schultz-Mattis i högre dimensioner, Phys. Rev. B 69, 104431 (2004). doi: 10.1103/​PhysRevB.69.104431.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.69.104431

[34] Bei Zeng, Xie Chen, Duan-Lu Zhou, Xiao-Gang Wen, Quantum Information Meets Quantum Matter – From Quantum Entanglement to Topological Phase in Many-Body Systems, Springer (2019). doi: 10.48550/​arXiv.1508.02595.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1508.02595

[35] C. E. Agrapidis, J. van den Brink och S. Nishimoto, Ordnade tillstånd i Kitaev-Heisenberg-modellen: Från 1D-kedjor till 2D-bikaka, Sci. Rep. 8, 1815 (2018). doi: 10.1038/​s41598-018-19960-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-018-19960-4

[36] W. Yang, A. Nocera, T. Tummuru, H.-Y. Kee och I. Affleck, Phase Diagram of the Spin-1/​2 Kitaev-Gamma Chain and Emergent SU(2) Symmetry, Phys. Rev. Lett. 124, 147205 (2020). doi: 10.1103/​PhysRevLett.124.147205.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.147205

[37] W. Yang, A. Nocera och I. Affleck, Omfattande studie av fasdiagrammet för spin-1/​2 Kitaev-Heisenberg-Gamma-kedjan, Phys. Rev. Research 2, 033268 (2020). doi: 10.1103/​PhysRevResearch.2.033268.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033268

[38] Q. Luo, J. Zhao, X. Wang och H.-Y. Kee, avslöjar fasdiagrammet för en bindnings-alternerande spin-$frac{1}{2}$ $K$-$Gamma$-kedja, Phys. Rev. B 103, 144423 (2021). doi: 10.1103/​PhysRevB.103.144423.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.103.144423

[39] W. Yang, A. Nocera, P. Herringer, R. Raussendorf, I. Affleck, Symmetrianalys av bindningsalternerande Kitaev-spinnkedjor och stegar, Phys. Rev. B 105, 094432 (2022). doi: 10.1103/​PhysRevB.105.094432.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.105.094432

[40] W. Yang, A. Nocera, C. Xu, H.-Y. Kee, I. Affleck, Counter-rotating spiral, zigzag och 120$^circ$ order från kopplad kedjeanalys av Kitaev-Gamma-Heisenberg-modellen och relationer till honeycomb iridates, arXiv:2207.02188. doi: 10.48550/​arXiv.2207.02188.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2207.02188
arXiv: 2207.02188

[41] A. Kitaev, Anyons i en exakt löst modell och bortom, Ann. Phys. (N.Y). 321, 2 (2006). doi: 10.1016/​j.aop.2005.10.005.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2005.10.005

[42] C. Nayak, S. H. Simon, A. Stern, M. Freedman och S. Das Sarma, Non-Abelian anyons and topological quantum computation, Rev. Mod. Phys. 80, 1083 (2008). doi: 10.1103/​RevModPhys.80.1083.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.80.1083

[43] G. Jackeli och G. Khaliullin, Mott Insulators in the Strong Spin-Orbit Coupling Limit: From Heisenberg to a Quantum Compass och Kitaev Models, Phys. Rev. Lett. 102, 017205 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevLett.102.017205.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.017205

[44] J. G. Rau, E. K. H. Lee och H. Y. Kee, Generisk spinnmodell för vaxkakan iriderar bortom Kitaev-gränsen, Phys. Rev. Lett. 112, 077204 (2014). doi: 10.1103/​PhysRevLett.112.077204.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.077204

[45] J.G. Rau, E.K.-H. Lee och H.-Y. Kee, Spin-Orbit Physics som ger upphov till nya faser i korrelerade system: Iridates and Related Materials, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 7, 195 (2016). doi: 10.1146/​annurev-conmatphys-031115-011319.
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-conmatphys-031115-011319

[46] S. M. Winter, A. A. Tsirlin, M. Daghofer, J. van den Brink, Y. Singh, P. Gegenwart och R. Valentí, Modeller och material för generaliserad Kitaev-magnetism, J. Phys. Kondenserar. ärende 29, 493002 (2017). doi: 10.1088/​1361-648X/​aa8cf5.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1361-648X/​aa8cf5

[47] M. Hermanns, I. Kimchi och J. Knolle, Fysik i Kitaev-modellen: fraktionering, dynamiska korrelationer och materialanslutningar, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 9, 17 (2018). doi: 10.1146/​annurev-conmatphys-033117-053934.
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-conmatphys-033117-053934

[48] F. D. M. Haldane, Icke-linjär fältteori för Heisenberg-antiferromagneter med stor spinn: semiklassiskt kvantiserade solitoner av det endimensionella lättaxeltillståndet Néel, Phys. Rev. Lett. 50, 1153 (1983). doi: 10.1103/​PhysRevLett.50.1153.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.50.1153

[49] I. Affleck, T. Kennedy, E. H. Lieb och H. Tasaki, Rigorösa resultat på valensbindningsgrundtillstånd i antiferromagneter, Phys. Rev. Lett. 59, 799 (1987). doi: 10.1103/​PhysRevLett.59.799.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.59.799

[50] X. Chen, Z.-C. Gu och X.-G. Wen, Klassificering av gapade symmetriska faser i endimensionella spinnsystem, Phys. Rev. B 83, 035107 (2011). doi: 10.1103/​PhysRevB.83.035107.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.83.035107

[51] David T. Stephen, Wen Wei Ho, Tzu-Chieh Wei, Robert Raussendorf, Ruben Verresen, Universell mätningsbaserad kvantberäkning i en endimensionell arkitektur som möjliggörs av dual-unitary circuits, arXiv:2209.06191. doi: 10.48550/​arXiv.2209.06191.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2209.06191
arXiv: 2209.06191

[52] R. Raussendorf och H.J. Briegel, Computational model underlying the one-way quantum computer, Quant. Inf. Comp. 6, 443 (2002). doi: 10.48550/​arXiv.quant-ph/​0108067.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0108067
arXiv: kvant-ph / 0108067

[53] D. Aharonov, A. Kitaev, N. Nisan, Kvantkretsar med blandade tillstånd, Proc. av det 30:e årliga ACM-symposiet om datorteori och quant-ph/​9806029 (1998). doi: 10.48550/​arXiv.quant-ph/​9806029.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​9806029
arXiv: kvant-ph / 9806029

[54] Austin K. Daniel och Akimasa Miyake, Quantum Computational Advantage med strängordningsparametrar av endimensionell symmetriskyddad topologisk ordning, Phys. Rev. Lett. 126, 090505 (2021). doi: 10.1103/​PhysRevLett.126.090505.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.090505

[55] G. Brassard, A. Broadbent och A. Tapp, Quantum Pseudo-Telepathy, Foundations of Physics 35, 1877 (2005). doi: 10.1007/​s10701-005-7353-4.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10701-005-7353-4

[56] S. Kochen och E. P. Specker, The Problem of Hidden Variables in Quantum Mechanics, J. Math. Mech. 17, 59 (1967). http://​/​www.jstor.org/​stable/​24902153.
http: / / www.jstor.org/ stabil / 24902153

[57] Janet Anders, Dan E. Browne, Computational power of correlations, Phys. Rev. Lett. 102, 050502 (2009). doi: 10.1103/​PhysRevLett.102.050502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.050502

[58] N. David Mermin, Hidden variables and the two theorems of John Bell, Rev. Mod. Phys. 65, 803 (1993). doi: 10.1103/​RevModPhys.65.803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.65.803

[59] Abhishodh Prakash, Tzu-Chieh Wei, Grundtillstånd av 1D symmetriskyddade topologiska faser och deras användbarhet som resurstillstånd för kvantberäkning, Phys. Rev. A 92, 022310 (2015). doi: 10.1103/​PhysRevA.92.022310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.022310

[60] Robert Raussendorf, Kontextualitet i mätningsbaserad kvantberäkning, Phys. Rev. A 88, 022322 (2013). doi: 10.1103/​PhysRevA.88.022322.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.022322

[61] Matthew Fishman, Steven R. White, E. Miles Stoudenmire, ITensor Software Library for Tensor Network Calculations, SciPost Phys. Kodbaser 4 (2022). doi: 10.21468/​SciPostPhysCodeb.4.
https://​/​doi.org/​10.21468/​SciPostPhysCodeb.4

[62] Arnab Adhikary, https://​/​github.com/​Quantumarnab/​SPT_Phases.
https://​/​github.com/​Quantumarnab/​SPT_Phases

Citerad av

[1] Chukwudubem Umeano, Annie E. Paine, Vincent E. Elfving och Oleksandr Kyriienko, "Vad kan vi lära oss av kvantkonvolutionella neurala nätverk?", arXiv: 2308.16664, (2023).

[2] Hiroki Sukeno och Takuya Okuda, "Mätningsbaserad kvantsimulering av Abeliska gittermåttsteorier", SciPost Physics 14 5, 129 (2023).

[3] Yifan Hong, David T. Stephen och Aaron J. Friedman, "Kvanteleportation implicerar symmetriskyddad topologisk ordning", arXiv: 2310.12227, (2023).

[4] James Lambert och Erik S. Sørensen, "State space geometry of the spin-1 antiferromagnetic Heisenberg chain", Fysisk granskning B 107 17, 174427 (2023).

[5] Zhangjie Qin, Daniel Azses, Eran Sela, Robert Raussendorf och V. W. Scarola, "Redundant String Symmetry-Based Error Correction: Experiments on Quantum Devices", arXiv: 2310.12854, (2023).

[6] Dawid Paszko, Dominic C. Rose, Marzena H. Szymańska och Arijeet Pal, "Kantlägen och symmetriskyddade topologiska tillstånd i öppna kvantsystem", arXiv: 2310.09406, (2023).

[7] Arnab Adhikary, Wang Yang och Robert Raussendorf, "Kontraintuitiva men ändå effektiva regimer för mätningsbaserade kvantberäkningar på symmetriskyddade spinnkedjor", arXiv: 2307.08903, (2023).

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2023-12-28 09:51:46). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

Det gick inte att hämta Crossref citerade data under senaste försöket 2023-12-28 09:51:44: Det gick inte att hämta citerade data för 10.22331 / q-2023-12-28-1215 från Crossref. Detta är normalt om DOI registrerades nyligen.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal