在量子模拟器上模拟计算复杂的多体问题,对于深入了解物理、化学和生物系统具有巨大潜力。物理学家以前已经实现了哈密顿力学,但将量子模拟器启动到合适量子态的问题仍然没有解决。在发表在《科学进展》期刊上的研究中,Meghana Raghunanda和德国理论物理研究所、Quest研究所和量子光学研究所的一个研究小组展示了一种新方法。

虽然研究中开发的初始化协议在很大程度上独立于模拟设备的物理实现,但该研究团队提供了一个实现“囚禁”离子量子模拟器的例子。量子模拟是一项旨在解决高温超导、相互作用量子场理论或多体局域化等重大公开问题的新兴技术,一系列实验已经证明了哈密顿动力学在量子模拟器中的成功实现。

然而,这种方法在量子相变中可能会变得具有挑战性。Raghunanda等人提出了新战略,通过利用耗散量子系统来设计有趣多体状态的最新进展,克服了这个问题。

(上图所示)量子模拟器的交感冷却:(A)执行量子模拟的N个自旋系统正在与另一个被耗散驱动的浴场自旋相互作用;(B)显示系统与槽之间共振能量传输的能级结构示意图,之后槽自旋被耗散泵入其基态;(C)利用俘获的40Ca+离子实现的能级方案。图片:Science Advances

几乎所有感兴趣的多体哈密顿算符都留在以前研究过的类之外,因此需要对耗散态制备过程进行推广。因此,研究小组提出了一种以前从未探索过的范例,通过将执行量子模拟的多体系统耦合到耗散驱动辅助粒子,来实现量子模拟器的耗散初始化。

研究选择了辅助粒子内部的能量分裂,使之与感兴趣系统的多体激发能隙共振;描述为基态能量和第一激发态能量的差值。在这种共振条件下,量子模拟器的能量可以有效地转移到辅助粒子上,以便前者被对称冷却,即一种类型的粒子和另一种类型的冷却粒子。

虽然在模拟之前,多体激发间隙的值通常是未知的,研究结果表明:可以通过光谱测量从量子模拟数据中确定能隙。耗散初始化过程也同时提供了关于多体系统的重要信息,通过单个辅助粒子进行冷却,对于量子模拟器中发生不想要的噪音过程是有效和稳定的。

具体地说,研究小组考虑了不同模型的一维(1-D)自旋1/2多体系统耦合到单个耗散驱动的辅助浴自旋(以核自旋和顺磁自旋为主的低温环境),该装置可推广到玻色子或费米子多体系统。

实验平台提出了适度的要求,这对模拟和数字量子模拟器都有效,该设置不需要对量子模拟器的单个粒子进行控制。作为第一个确定的模型,研究考虑了横场中的伊辛模型,形成了一个简单平台外的无挫类哈密顿。

通过使用波函数蒙特卡罗模拟跟踪系统能量来分析该装置的冷却性能。众所周知,横向伊辛场经历了从顺磁相到铁磁相的量子相变。研究小组观察到该系统的能量迅速下降,最终接近数值计算的基态能量。冷却性能取决于系统-浴场耦合(Gsb)和耗散率(γ)的选择。

如果液浴耦合太小,冷却动力学很慢,如果太大,系统和浴池自旋会发生强烈的纠缠,从而降低冷却性能。因此,必须对这两个参数进行优化,从而在可用时间内将能量降至最低。

冷却方案并不局限于特定的模型,为了证实这一点,研究小组接下来转向了一个特别具有挑战性的临界海森堡链情况,即量子可积一维模型的原型。研究团队研究了反铁磁性海森堡链作为第二个聚合(确定的)量子多体模型,然而,该模型对冷却协议提出了挑战。

临界点基态也是高度纠缠的,这使得他们可以测试该协议制备纠缠量子多体状态的能力。研究团队记录了相对于系统能量的冷却性能。与横场伊辛模型非常相似,系统能量迅速下降,并达到一个接近基态能量(E0)的终值,此时的终态也是高度纠缠的。

由于在不对系统中的所有操作员进行层析成像情况下,很难在许多量子模拟架构上实验测量系统能量,因此研究小组改为测量了冷却动力学过程中的浴池自旋和能量耗散。然后,研究了冷却协议的效率,以了解其性能如何随系统大小的增加而变化。

当所需的资源随系统大小呈多项式增长时,协议通常是有效的,使用数值模拟进行标准的非线性优化,并基于缩放行为,研究表明,由于粒子数量成为量子模拟器中的稀缺资源,初始化所需的最小消耗能将几乎所有粒子用于实际的量子模拟。

研究中唯一的消相干来源来自于自旋的耗散翻转,尽管量子模拟体系结构也可能在执行模拟系统中包含不想要的消相干过程。因此,确定额外退相干对冷却方案性能的影响至关重要,这些发现是通用的,并且适用于其他多体模型。

该团队将改善的抗消相干能力归功于耗散状态准备协议,该协议可以自校正消相干事件。然后,该团队利用最先进技术在“囚禁”离子系统中实验实现了所提出的初始化协议。研究用40Ca+离子实施了这一设置,类似于之前的一项研究。将自旋统计信息编码到光学量子比特中,并利用径向激光束相干地操纵能量分裂,其中最右边的离子充当浴自旋,它与邻近离子的激光诱导耦合实现了系统浴耦合。

在装置中同时使用了系统哈密顿和系统浴哈密顿作为Hsys和HSB,而在平台中起主导作用的退相干机制是由全球磁场波动引起。通过这种方式,研究人员展示了如何添加一个耗散驱动的辅助粒子,将量子模拟器冷却到低能状态。该方法是有效的,即使当仅使用单浴自旋来表现出对量子刺激器中出现不要的退相干具有很强的鲁棒性时也有效,研究人员还打算通过及时最佳地改变熔池的耦合常数来进一步研究水槽的结垢行为。

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参考期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.aaw9268

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哈密顿力学,成功在量子模拟器中实现,或将能够解决量子场论!

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