By adopting the variational quantum simulator method on noisy quantum computers, we simulate the temporal evolution of the population transfer in a laser-driven three-level system, representing N2+ suddenly exposed to an intense laser field. We have conducted experiments using an IBM Quantum computer. In order to mitigate the error caused by the execution of the Hadamard test circuits, the Clifford data regression method is adopted. The characteristic features in the temporal evolution of the population transfer, leading to the population inversion and the air lasing, have been well reproduced.

1.
D. S.
Abrams
and
S.
Lloyd
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
2586
(
1997
).
2.
G.
Ortiz
,
J. E.
Gubernatis
,
E.
Knill
, and
R.
Laflamme
,
Phys. Rev. A
64
,
022319
(
2001
).
4.
S.
Endo
,
Z.
Cai
,
S. C.
Benjamin
, and
X.
Yuan
,
J. Phys. Soc. Jpn.
90
,
032001
(
2021
).
5.
A.
Peruzzo
,
J.
McClean
,
P.
Shadbolt
,
M.-H.
Yung
,
X.-Q.
Zhou
,
P. J.
Love
,
A.
Aspuru-Guzik
, and
J. L.
O'Brien
,
Nat. Commun.
5
,
4213
(
2014
).
6.
R.
Villela
,
V. S.
Prasannaa
, and
B. P.
Das
, arXiv:2109.12583 (
2021
).
7.
A.
Kandala
,
K.
Temme
,
A. D.
Córcoles
,
A.
Mezzacapo
,
J. M.
Chow
, and
J. M.
Gambetta
,
Nature
567
,
491
(
2019
).
8.
E.
Farhi
,
J.
Goldstone
, and
S.
Gutmann
, arXiv:1411.4028 (
2014
).
9.
Z.
Wang
,
S.
Hadfield
,
Z.
Jiang
, and
E. G.
Rieffel
,
Phys. Rev. A
97
,
022304
(
2018
).
10.
C.
Bravo-Prieto
,
R.
LaRose
,
M.
Cerezo
,
Y.
Subasi
,
L.
Cincio
, and
P. J.
Coles
, arXiv:1909.05820 (
2019
).
11.
X.
Xu
,
J.
Sun
,
S.
Endo
,
Y.
Li
,
S. C.
Benjamin
, and
X.
Yuan
,
Sci. Bull.
66
,
2181
(
2021
).
12.
A.
Smith
,
M. S.
Kim
,
F.
Pollmann
, and
J.
Knolle
,
npj Quantum Inf.
5
,
106
(
2019
).
13.
Google AI Quantum and Collaborators
, arXiv:2010.07965 (
2020
).
14.
Y.
Li
and
S. C.
Benjamin
,
Phys. Rev. X
7
,
021050
(
2017
).
15.
X.
Yuan
,
S.
Endo
,
Q.
Zhao
,
Y.
Li
, and
S. C.
Benjamin
,
Quantum
3
,
191
(
2019
).
16.
S.
Endo
,
J.
Sun
,
Y.
Li
,
S. C.
Benjamin
, and
X.
Yuan
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
010501
(
2020
).
17.
S.
Endo
,
I.
Kurata
, and
Y. O.
Nakagawa
,
Phys. Rev. Res.
2
,
033281
(
2020
).
18.
Y.-X.
Yao
,
N.
Gomes
,
F.
Zhang
,
C.-Z.
Wang
,
K.-M.
Ho
,
T.
Iadecola
, and
P. P.
Orth
,
PRX Quantum
2
,
030307
(
2021
).
19.
S.-H.
Lin
,
R.
Dilip
,
A. G.
Green
,
A.
Smith
, and
F.
Pollmann
,
PRX Quantum
2
,
010342
(
2021
).
20.
M.
Benedetti
,
M.
Fiorentini
, and
M.
Lubasch
,
Phys. Rev. Res.
3
,
033083
(
2021
).
21.
S.
Wang
,
E.
Fontana
,
M.
Cerezo
,
K.
Sharma
,
A.
Sone
,
L.
Cincio
, and
P. J.
Coles
, arXiv:2007.14384 (
2020
).
22.
T. L.
Patti
,
K.
Najafi
,
X.
Gao
, and
S. F.
Yelin
,
Phys. Rev. Res.
3
,
033090
(
2021
).
23.
H.
Xu
,
E.
Lötstedt
,
A.
Iwasaki
, and
K.
Yamanouchi
,
Nat. Commun.
6
,
8347
(
2015
).
24.
IBM Quantum team
, see https://quantum-computing.ibm.com for <ibm_kawasaki v1.3.2.>
25.
H.
Abraham
 et al., see https://qiskit.org for the installation of QISKIT.
26.
K.
Temme
,
S.
Bravyi
, and
J. M.
Gambetta
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
180509
(
2017
).
27.
A.
Strikis
,
D.
Qin
,
Y.
Chen
,
S. C.
Benjamin
, and
Y.
Li
,
PRX Quantum
2
,
040330
(
2021
).
28.
P.
Czarnik
,
A.
Arrasmith
,
P. J.
Coles
, and
L.
Cincio
,
Quantum
5
,
592
(
2021
).
29.
30.
W. J.
Huggins
,
S.
McArdle
,
T. E.
O'Brien
,
J.
Lee
,
N. C.
Rubin
,
S.
Boixo
,
K. B.
Whaley
,
R.
Babbush
, and
J. R.
McClean
,
Phys. Rev. X
11
,
041036
(
2021
).
31.
S.
Bravyi
and
D.
Gosset
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
250501
(
2016
).
32.
Q.
Luo
,
W.
Liu
, and
S.
Chin
,
Appl. Phys. B
76
,
337
(
2003
).
33.
J.
Yao
,
B.
Zeng
,
H.
Xu
,
G.
Li
,
W.
Chu
,
J.
Ni
,
H.
Zhang
,
S. L.
Chin
,
Y.
Cheng
, and
Z.
Xu
,
Phys. Rev. A
84
,
051802
(
2011
).
34.
S.
McArdle
,
S.
Endo
,
A.
Aspuru-Guzik
,
S. C.
Benjamin
, and
X.
Yuan
,
Rev. Mod. Phys.
92
,
015003
(
2020
).
35.
A.
Kandala
,
A.
Mezzacapo
,
K.
Temme
,
M.
Takita
,
M.
Brink
,
J. M.
Chow
, and
J. M.
Gambetta
,
Nature
549
,
242
(
2017
).
36.
M.
Ganzhorn
 et al., 
Phys. Rev. Appl.
11
,
044092
(
2019
).
37.
M.
Motta
,
E.
Ye
,
J. R.
McClean
,
Z.
Li
,
A. J.
Minnich
,
R.
Babbush
, and
G. K.-L.
Chan
,
npj Quantum Inf.
7
,
1
7
(
2018
).
38.
H. F.
Trotter
,
Proc. Am. Math. Soc.
10
,
545
(
1959
).
39.
Google AI Quantum and collaborators
,
Science
369
,
1084
(
2020
).
You do not currently have access to this content.