Towards a universal set of topologically protected gates for quantum computation with Pfaffian qubits

We review the topological quantum computation scheme of Das Sarma et al. from the perspective of the conformal field theory for the two-dimensional critical Ising model. This scheme originally used the monodromy properties of the non-Abelian excitations in the Pfaffian quantum Hall state to construct elementary qubits and execute logical NOT on them. We extend the scheme of Das Sarma et al. by exploiting the explicit braiding transformations for the Pfaffian wave functions containing 4 and 6 quasiholes to implement, for the first time in this context, the single-qubit Hadamard and phase gates and the two-qubit Controlled-NOT gate over Pfaffian qubits in a topologically protected way. In more detail, we explicitly construct the unitary representations of the braid groups B_4, B_6 and B_8 and use the elementary braid matrices to implement one-, two- and three-qubit gates. We also propose to construct a topologically protected Toffoli gate, in terms of a braid-group based Controlled-Controlled-Z gate precursor. Finally we discuss some difficulties arising in the embedding of the Clifford gates and address several important questions about topological quantum computation in general.Comment: 57 pages, 26 EPS figures, Latex2e with elsart class package; v2: one remark added and some misprints correcte

Diagonalizing transfer matrices and matrix product operators: a medley of exact and computational methods

Transfer matrices and matrix product operators play an ubiquitous role in the field of many body physics. This paper gives an ideosyncratic overview of applications, exact results and computational aspects of diagonalizing transfer matrices and matrix product operators. The results in this paper are a mixture of classic results, presented from the point of view of tensor networks, and of new results. Topics discussed are exact solutions of transfer matrices in equilibrium and non-equilibrium statistical physics, tensor network states, matrix product operator algebras, and numerical matrix product state methods for finding extremal eigenvectors of matrix product operators.Comment: Lecture notes from a course at Vienna Universit

Universality of Z3 parafermions via edge-mode interaction and quantum simulation of topological space evolution with Rydberg atoms

Parafermions are Zn generalizations of Majorana quasiparticles, with fractional non-Abelian statistics. They can be used to encode topological qudits and perform Clifford operations by their braiding. Here we investigate the generation of quantum gates by allowing Z3 parafermions to interact in order to achieve universality. In particular, we study the form of the nontopological gate that arises through direct short-range interaction of the parafermion edge modes in a Z3 parafermion chain. We show that such an interaction gives rise to a dynamical phase gate on the encoded ground space, generating a non-Clifford gate which can be tuned to belong to even levels of the Clifford hierarchy. We illustrate how to access highly noncontextual states using this dynamical gate. Finally, we propose an experiment that simulates the braiding and dynamical evolutions of the Z3 topological states with Rydberg atom technology

Entanglement and Bell correlations in strongly correlated many-body quantum systems

During the past two decades, thanks to the mutual fertilization of the research in quantum information and condensed matter, new approaches based on purely quantum features without any classical analog turned out to be very useful in the characterization of many-body quantum systems (MBQS). A peculiar role is obviously played by the study of purely quantum correlations, manifesting in the “spooky” properties of entanglement and nonlocality (or Bell correlations), which ultimately discriminate classical from quantum regimes. It is, in fact, such kind of correlations that give rise to the plethora of intriguing emergent behaviors of MBQS, which cannot be reduced to a mere sum of the behaviors of individual components, the most important example being the quantum phase transitions. However, despite being indeed closely related concepts, entanglement and nonlocality are actually two different resources. With regard to the entanglement, we will use it to characterize several instances of MBQS, to exactly locate and characterize quantum phase transitions in spin-lattices and interacting fermionic systems, to classify different gapped quantum phases according to their topological features and to provide a purely quantum signature of chaos in dynamical systems. Our approach will be mainly numerical and for simulating the ground states of several one-dimensional lattice systems we draw heavily on the celebrated “density matrix renormalization group” (DMRG) algorithm in the “matrix product state” (MPS) ansatz. A MPS is a one-dimensional tensor network (TN) representation for quantum states and occupies a pivotal position in what we have gained in thinking MBQS from an entanglement perspective. In fact, the success of TNs states mainly relies on their fulfillment, by construction, of the so called “entanglement area law”. This is a feature shared by the ground states of gapped Hamiltonians with short-range interactions among the components and consists of a sub-extensive entanglement entropy, which grows only with the surface of the bipartition. This property translates in a reduced complexity of such systems, allowing affordable simulations, with an exponential reduction of computational costs. Besides the use of already existing TN-based algorithms, an effort will be done to develop a new one suitable for high-dimensional lattices. While many useful results are available for the entanglement in many different contexts, less is known about the role of nonlocality. Formally, a state of a multi-party system is defined nonlocal if its correlations violate some “Bell inequality” (BI). The derivation of the BIs for systems consisting of many parties is a formidable task and only recently, a class of them, relevant for nontrivial states, has been proposed. In an important chapter of the thesis, we apply these BIs to fully characterize the phase transition of a long-range ferromagnetic Ising model, doing a comparison with entanglement-based results and then making one of the first efforts in the study of MBQS from a nonlocality perspective.Durante las dos últimas décadas, gracias al enriquecimiento mutuo entre las investigaciones en información cuántica y materia condensada, se han desarrollado nuevos enfoques que han resultado muy útiles en la caracterización de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos (SCMC), basados en características puramente cuánticas sin ningún análogo clásico. El estudio de las correlaciones puramente cuánticas juega obviamente un papel fundamental. Estas correlaciones se manifiestan en las propiedades del entrelazamiento cuántico (“entanglement”) y no-localidad (o correlaciones de Bell), que en última instancia discriminan los regímenes clásicos de los regímenes cuánticos. Este tipo de correlaciones son, de hecho, las que dan lugar a la plétora de comportamientos emergentes enigmáticos de los SCMC, que no pueden reducirse a una mera suma de los comportamientos de los componentes individuales, siendo el ejemplo más importante siendo las transiciones de fase cuánticas (TFC). Sin embargo, a pesar de ser conceptos estrechamente relacionados, el entrelazamiento y la no-localidad son en realidad dos recursos diferentes. Con respecto al entrelazamiento, lo utilizaremos para caracterizar varios ejemplos de SCMC, para localizar y caracterizar exactamente las TFC en retículos de espines y de sistemas de fermiones interactuantes, para clasificar las diferentes fases cuánticas de acuerdo con su topología y para proporcionar una señal puramente cuántica del caos en los sistemas dinámicos. Nuestro enfoque será principalmente numérico y para simular los estados fundamentales de varios sistemas unidimensionales nos basamos en gran medida en el célebre algoritmo “density matrix renormalization group” (DMRG), formulado en el ansatz de los “matrix product states” (MPS). Un MPS es un “retículos de tensores” (“tensor networks”, TN) unidimensional que representa estados cuánticos y ocupa una posición central entre los mayores logros obtenidos al estudiar los SCMC desde la perspectiva del entrelazamiento cuántico. De hecho, el éxito de los TN depende principalmente de su cumplimiento, por construcción, de una “ley del área” (“area-law”) de la entropía de entrelazamiento. Esta es una característica compartida por los estados fundamentales de los Hamiltonianos con interacciones de corto alcance entre los componentes del sistema y con una brecha (“gap”) entre el estado fundamental y los niveles excitados, que consiste en una entropía de entrelazamiento subextensiva, que crece sólo con la superficie de la bipartición. Esta propiedad se traduce en una menor complejidad de dichos sistemas, permitiendo simulaciones asequibles, con una reducción exponencial de los costes computacionales. Además del uso de los algoritmos ya existentes basados en TN, se desarrollará uno nuevo adecuado para sistemas en dimensiones altas. Si bien se dispone de muchos resultados útiles para el entrelazamiento en muchos contextos diferentes, se sabe menos sobre el papel jugado por la no-localidad. Formalmente, un estado de un sistema compuesto de muchas partes, se define como no-local si sus correlaciones violan alguna “desigualdad de Bell” (“Bell inequality”, BI). La derivación de dichas desigualdades para sistemas compuestos de muchas partes es un reto y sólo recientemente se ha propuesto una clase de ellas, relevante para estados no triviales. En un capítulo importante de la tesis, aplicamos estas BIs para caracterizar completamente la transición de fase de un modelo de Ising ferromagnético con interacciones de largo alcance, haciendo una comparación con los resultados basados en el entrelazamiento y luego haciendo uno de los primeros esfuerzos en el estudio de los SCMC desde una perspectiva de la no-localidad.Postprint (published version

Entanglement and Bell correlations in strongly correlated many-body quantum systems

During the past two decades, thanks to the mutual fertilization of the research in quantum information and condensed matter, new approaches based on purely quantum features without any classical analog turned out to be very useful in the characterization of many-body quantum systems (MBQS). A peculiar role is obviously played by the study of purely quantum correlations, manifesting in the “spooky” properties of entanglement and nonlocality (or Bell correlations), which ultimately discriminate classical from quantum regimes. It is, in fact, such kind of correlations that give rise to the plethora of intriguing emergent behaviors of MBQS, which cannot be reduced to a mere sum of the behaviors of individual components, the most important example being the quantum phase transitions. However, despite being indeed closely related concepts, entanglement and nonlocality are actually two different resources. With regard to the entanglement, we will use it to characterize several instances of MBQS, to exactly locate and characterize quantum phase transitions in spin-lattices and interacting fermionic systems, to classify different gapped quantum phases according to their topological features and to provide a purely quantum signature of chaos in dynamical systems. Our approach will be mainly numerical and for simulating the ground states of several one-dimensional lattice systems we draw heavily on the celebrated “density matrix renormalization group” (DMRG) algorithm in the “matrix product state” (MPS) ansatz. A MPS is a one-dimensional tensor network (TN) representation for quantum states and occupies a pivotal position in what we have gained in thinking MBQS from an entanglement perspective. In fact, the success of TNs states mainly relies on their fulfillment, by construction, of the so called “entanglement area law”. This is a feature shared by the ground states of gapped Hamiltonians with short-range interactions among the components and consists of a sub-extensive entanglement entropy, which grows only with the surface of the bipartition. This property translates in a reduced complexity of such systems, allowing affordable simulations, with an exponential reduction of computational costs. Besides the use of already existing TN-based algorithms, an effort will be done to develop a new one suitable for high-dimensional lattices. While many useful results are available for the entanglement in many different contexts, less is known about the role of nonlocality. Formally, a state of a multi-party system is defined nonlocal if its correlations violate some “Bell inequality” (BI). The derivation of the BIs for systems consisting of many parties is a formidable task and only recently, a class of them, relevant for nontrivial states, has been proposed. In an important chapter of the thesis, we apply these BIs to fully characterize the phase transition of a long-range ferromagnetic Ising model, doing a comparison with entanglement-based results and then making one of the first efforts in the study of MBQS from a nonlocality perspective.Durante las dos últimas décadas, gracias al enriquecimiento mutuo entre las investigaciones en información cuántica y materia condensada, se han desarrollado nuevos enfoques que han resultado muy útiles en la caracterización de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos (SCMC), basados en características puramente cuánticas sin ningún análogo clásico. El estudio de las correlaciones puramente cuánticas juega obviamente un papel fundamental. Estas correlaciones se manifiestan en las propiedades del entrelazamiento cuántico (“entanglement”) y no-localidad (o correlaciones de Bell), que en última instancia discriminan los regímenes clásicos de los regímenes cuánticos. Este tipo de correlaciones son, de hecho, las que dan lugar a la plétora de comportamientos emergentes enigmáticos de los SCMC, que no pueden reducirse a una mera suma de los comportamientos de los componentes individuales, siendo el ejemplo más importante siendo las transiciones de fase cuánticas (TFC). Sin embargo, a pesar de ser conceptos estrechamente relacionados, el entrelazamiento y la no-localidad son en realidad dos recursos diferentes. Con respecto al entrelazamiento, lo utilizaremos para caracterizar varios ejemplos de SCMC, para localizar y caracterizar exactamente las TFC en retículos de espines y de sistemas de fermiones interactuantes, para clasificar las diferentes fases cuánticas de acuerdo con su topología y para proporcionar una señal puramente cuántica del caos en los sistemas dinámicos. Nuestro enfoque será principalmente numérico y para simular los estados fundamentales de varios sistemas unidimensionales nos basamos en gran medida en el célebre algoritmo “density matrix renormalization group” (DMRG), formulado en el ansatz de los “matrix product states” (MPS). Un MPS es un “retículos de tensores” (“tensor networks”, TN) unidimensional que representa estados cuánticos y ocupa una posición central entre los mayores logros obtenidos al estudiar los SCMC desde la perspectiva del entrelazamiento cuántico. De hecho, el éxito de los TN depende principalmente de su cumplimiento, por construcción, de una “ley del área” (“area-law”) de la entropía de entrelazamiento. Esta es una característica compartida por los estados fundamentales de los Hamiltonianos con interacciones de corto alcance entre los componentes del sistema y con una brecha (“gap”) entre el estado fundamental y los niveles excitados, que consiste en una entropía de entrelazamiento subextensiva, que crece sólo con la superficie de la bipartición. Esta propiedad se traduce en una menor complejidad de dichos sistemas, permitiendo simulaciones asequibles, con una reducción exponencial de los costes computacionales. Además del uso de los algoritmos ya existentes basados en TN, se desarrollará uno nuevo adecuado para sistemas en dimensiones altas. Si bien se dispone de muchos resultados útiles para el entrelazamiento en muchos contextos diferentes, se sabe menos sobre el papel jugado por la no-localidad. Formalmente, un estado de un sistema compuesto de muchas partes, se define como no-local si sus correlaciones violan alguna “desigualdad de Bell” (“Bell inequality”, BI). La derivación de dichas desigualdades para sistemas compuestos de muchas partes es un reto y sólo recientemente se ha propuesto una clase de ellas, relevante para estados no triviales. En un capítulo importante de la tesis, aplicamos estas BIs para caracterizar completamente la transición de fase de un modelo de Ising ferromagnético con interacciones de largo alcance, haciendo una comparación con los resultados basados en el entrelazamiento y luego haciendo uno de los primeros esfuerzos en el estudio de los SCMC desde una perspectiva de la no-localidad

Universality of Z3 parafermions via edge-mode interaction and quantum simulation of topological space evolution with Rydberg atoms

Parafermions are Zn generalizations of Majorana quasiparticles, with fractional non-Abelian statistics. They can be used to encode topological qudits and perform Clifford operations by their braiding. Here we investigate the generation of quantum gates by allowing Z3 parafermions to interact in order to achieve universality. In particular, we study the form of the nontopological gate that arises through direct short-range interaction of the parafermion edge modes in a Z3 parafermion chain. We show that such an interaction gives rise to a dynamical phase gate on the encoded ground space, generating a non-Clifford gate which can be tuned to belong to even levels of the Clifford hierarchy. We illustrate how to access highly noncontextual states using this dynamical gate. Finally, we propose an experiment that simulates the braiding and dynamical evolutions of the Z3 topological states with Rydberg atom technology