Simulating Quantum Particles on a Lattice

Tuesday, September 7, 2021
by Alex Rollinson

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A team of researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) have developed a new quantum simulator that uses microwave photons in a superconducting cavity to simulate particles on a lattice similar to those found in superconductors or atomic nuclei.

“There is a particular interest in performing quantum simulations of systems that cannot be simulated using even the most powerful classical supercomputers,” said Christopher Wilson, a faculty member at IQC and the Department of Electrical and Computer Engineering at the University of Waterloo.  “While very powerful classical simulation tools exist, many important problems remain intractable.  Here, we present a programmable platform using superconducting quantum circuits. We use it for a small-scale simulation of the bosonic Creutz ladder, an important historical model which exhibits a wide range of interesting behavior including topological and edge states.”

A quantum simulator is a limited-use quantum computer: a machine that can be programmed to replicate the behavior of a specific quantum system that is too complex to simulate using classical methods. Because of their comparative simplicity, many researchers believe that quantum simulators could deliver useful applications sooner than universal quantum computers will. With this goal in mind, Wilson along with his colleagues have used a chip-based superconducting cavity to build a quantum simulator that can simulate quantum particles on a lattice. Such particle-lattice systems can be used as models for the behavior of high-temperature superconductors or the particles inside an atomic nucleus.

The superconducting cavity holds microwave radiation of specific frequencies, or modes, which are determined by the cavity’s size. The researchers change the effective size of the cavity by delaying the propagation of photons at one end by a variable interval. When the cavity contains multiple microwave photons, tuning its effective length causes the various cavity modes to interact with each other.

The team used this setup to create a so-called bosonic Creutz ladder—a simple model of particles moving on a lattice of four nodes. In their implementation of the model, Wilson and colleagues engineered the cavity-mode interactions so that each mode of the cavity corresponded to a node on the lattice. They also showed that the quantum simulator can be programmed in situ by introducing microwaves of different frequencies into the cavity. The technique can be scaled up to simulate more complex quantum systems by placing multiple superconducting cavities on the chip.

The team hopes to quickly scale up the size of their simulations and try to test new models.  They expect that the inherent programmability of the platform should make progress easier than for dedicated simulators design to simulate a single model.

Quantum Simulation of the Bosonic Creutz Ladder with a Parametric Cavity was published in Physical Review Letters on September 2, 2021.

Original synopsis by Sophia Chen for Physical Review Letters.

Copyright APS/Physics Magazine

This project is supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the Transformative Quantum Technologies (TQT) program.


Simuler des particules quantiques sur un treillis

Une équipe de chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) a mis au point un nouveau simulateur quantique qui fait appel à des photons micro-ondes dans une cavité supraconductrice pour simuler des particules sur un treillis semblable à ceux que l’on trouve dans les supraconducteurs ou les noyaux atomiques.

« Il y a un intérêt particulier à effectuer des simulations quantiques de systèmes qui ne peuvent pas être simulés même avec les superordinateurs classiques les plus puissants », déclare Christopher Wilson, professeur à l’IQC ainsi qu’au Département de génie électrique et informatique de l’Université de Waterloo. « Même s’il existe de puissants outils de simulation classique, de nombreux problèmes importants demeurent insolubles. Nous présentons ici un environnement programmable qui fait appel à des circuits quantiques supraconducteurs. Nous l’utilisons pour une simulation à faible portée de l’échelle bosonique de Creutz, modèle historique important qui possède une grande variété de comportements intéressants, y compris des états topologiques et des états de bord. » [traduction]

Un simulateur quantique est un ordinateur quantique à usage limité : une machine que l’on peut programmer pour reproduire le comportement d’un système quantique précis trop complexe pour être simulé à l’aide de méthodes classiques. De nombreux chercheurs estiment que, grâce à leur simplicité relative, les simulateurs quantiques pourraient fournir des applications utiles plus tôt que des ordinateurs quantiques universels. Avec cet objectif en tête, M. Wilson et ses collègues utilisent une cavité supraconductrice montée sur une puce pour construire un simulateur quantique capable de simuler des particules quantiques sur un treillis. De tels systèmes de treillis de particules peuvent servir de modèles du comportement de supraconducteurs à haute température ou des particules qui forment un noyau atomique.

La cavité supraconductrice contient un rayonnement micro-ondes de fréquences précises, appelées modes, déterminées par la taille de la cavité. Les chercheurs modifient la taille effective de la cavité en retardant d’un intervalle variable la propagation des photons à une extrémité. Lorsque la cavité contient plusieurs photons micro-ondes, l’ajustement de sa longueur effective entraîne des interactions entre ses différents modes.

L’équipe a utilisé ce montage pour créer une échelle bosonique de Creutz — modèle simple de particules se déplaçant sur un treillis de 4 nœuds. Dans leur mise en œuvre du modèle, Christopher Wilson et ses collègues ont réglé les interactions entre modes de la cavité de telle sorte que chaque mode corresponde à un nœud du treillis. Ils ont aussi montré que le simulateur quantique peut être programmée in situ en introduisant dans la cavité des micro-ondes de différentes fréquences. Cette technique peut être adaptée à la simulation de systèmes quantiques plus complexes en montant sur la puce plusieurs cavités supraconductrices.

L’équipe espère augmenter rapidement la taille de ses simulations et tester de nouveaux modèles. Elle s’attend à ce que la possibilité de programmer cet environnement permette des progrès plus rapides que des simulateurs conçus pour simuler un seul modèle.

L’article intitulé Quantum Simulation of the Bosonic Creutz Ladder with a Parametric Cavity (Simulation quantique de l’échelle bosonique de Creutz à l’aide d’une cavité paramétrée) a été publié le 2 septembre 2021 dans Physical Review Letters.

Le résumé original en anglais a été rédigé par Sophia Chen pour Physical Review Letters.

© APS/Physics Magazine

Ces recherches ont été financées en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC), par l’intermédiaire du programme Technologies quantiques transformatrices.