Circuitos escalables para preparar estados fundamentales en computadoras cuánticas digitales: El vacío del modelo de Schwinger en 100 qubits

El vacío del modelo de Schwinger en la red se prepara en hasta 100 qubits de las computadoras cuánticas del procesador Eagle de IBM. Se presenta un nuevo algoritmo para preparar el estado fundamental de un sistema invariado translacionalmente y con brecha en una computadora cuántica, al que llamamos “circuitos escalables ADAPT-VQE” (SC-ADAPT-VQE). Este algoritmo utiliza la decadencia exponencial de las correlaciones entre regiones distantes del estado fundamental, junto con ADAPT-VQE, para construir circuitos cuánticos para la preparación de estados que pueden escalarse a sistemas arbitrariamente grandes. Estos circuitos escalables se pueden determinar con el uso de computadoras clásicas, evitando la difícil tarea de optimizar circuitos parametrizados en una computadora cuántica. SC-ADAPT-VQE se aplica al modelo de Schwinger, y se muestra que es sistemáticamente mejorable, con una precisión que converge exponencialmente con la profundidad del circuito. Tanto la estructura de los circuitos como las desviaciones de las funciones de onda preparadas se encuentran independientes del número de sitios espaciales, L. Esto permite una extrapolación controlada de los circuitos, determinados con el uso de sistemas pequeños o de tamaño modesto, a L arbitrariamente grande. Los circuitos para el modelo de Schwinger se determinan en redes de hasta L=14 (28 qubits) con el simulador clásico Qiskit, y posteriormente se escalan para preparar el vacío L=50 (100 qubits) en las computadoras cuánticas de 127 qubits superconductores de IBM, ibmbrisbane e ibmcusco. Tras la introducción de una técnica de mitigación de errores mejorada, que llamamos “renormalización de decoherencia de operadores”, se encuentra que el condensado quiral y los correladores de carga-carga obtenidos de las computadoras cuánticas están en buen acuerdo con las simulaciones clásicas de estados de producto matricial. Publicado por la American Physical Society 2024