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哈密頓力學(xué)，成功在量子模擬器中實現(xiàn)，或?qū)⒛軌蚪鉀Q量子場論！

2020-06-09 15:09 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

在量子模擬器上模擬計算復(fù)雜的多體問題，對于深入了解物理、化學(xué)和生物系統(tǒng)具有巨大潛力。物理學(xué)家以前已經(jīng)實現(xiàn)了哈密頓力學(xué)，但將量子模擬器啟動到合適量子態(tài)的問題仍然沒有解決。

在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的研究中，Meghana Raghunanda和德國理論物理研究所、Quest研究所和量子光學(xué)研究所的一個研究小組展示了一種新方法。

雖然研究中開發(fā)的初始化協(xié)議在很大程度上獨立于模擬設(shè)備的物理實現(xiàn)，但該研究團隊提供了一個實現(xiàn)“囚禁”離子量子模擬器的例子。量子模擬是一項旨在解決高溫超導(dǎo)、相互作用量子場理論或多體局域化等重大公開問題的新興技術(shù)，一系列實驗已經(jīng)證明了哈密頓動力學(xué)在量子模擬器中的成功實現(xiàn)。

然而，這種方法在量子相變中可能會變得具有挑戰(zhàn)性。Raghunanda等人提出了新戰(zhàn)略，通過利用耗散量子系統(tǒng)來設(shè)計有趣多體狀態(tài)的最新進(jìn)展，克服了這個問題。

（上圖所示）量子模擬器的交感冷卻：(A)執(zhí)行量子模擬的N個自旋系統(tǒng)正在與另一個被耗散驅(qū)動的浴場自旋相互作用；(B)顯示系統(tǒng)與槽之間共振能量傳輸?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)示意圖，之后槽自旋被耗散泵入其基態(tài)；(C)利用俘獲的40Ca+離子實現(xiàn)的能級方案。圖片：Science Advances

幾乎所有感興趣的多體哈密頓算符都留在以前研究過的類之外，因此需要對耗散態(tài)制備過程進(jìn)行推廣。因此，研究小組提出了一種以前從未探索過的范例，通過將執(zhí)行量子模擬的多體系統(tǒng)耦合到耗散驅(qū)動輔助粒子，來實現(xiàn)量子模擬器的耗散初始化。

研究選擇了輔助粒子內(nèi)部的能量分裂，使之與感興趣系統(tǒng)的多體激發(fā)能隙共振；描述為基態(tài)能量和第一激發(fā)態(tài)能量的差值。在這種共振條件下，量子模擬器的能量可以有效地轉(zhuǎn)移到輔助粒子上，以便前者被對稱冷卻，即一種類型的粒子和另一種類型的冷卻粒子。

雖然在模擬之前，多體激發(fā)間隙的值通常是未知的，研究結(jié)果表明：可以通過光譜測量從量子模擬數(shù)據(jù)中確定能隙。耗散初始化過程也同時提供了關(guān)于多體系統(tǒng)的重要信息，通過單個輔助粒子進(jìn)行冷卻，對于量子模擬器中發(fā)生不想要的噪音過程是有效和穩(wěn)定的。

具體地說，研究小組考慮了不同模型的一維(1-D)自旋1/2多體系統(tǒng)耦合到單個耗散驅(qū)動的輔助浴自旋（以核自旋和順磁自旋為主的低溫環(huán)境），該裝置可推廣到玻色子或費米子多體系統(tǒng)。

實驗平臺提出了適度的要求，這對模擬和數(shù)字量子模擬器都有效，該設(shè)置不需要對量子模擬器的單個粒子進(jìn)行控制。作為第一個確定的模型，研究考慮了橫場中的伊辛模型，形成了一個簡單平臺外的無挫類哈密頓。

通過使用波函數(shù)蒙特卡羅模擬跟蹤系統(tǒng)能量來分析該裝置的冷卻性能。眾所周知，橫向伊辛場經(jīng)歷了從順磁相到鐵磁相的量子相變。研究小組觀察到該系統(tǒng)的能量迅速下降，最終接近數(shù)值計算的基態(tài)能量。冷卻性能取決于系統(tǒng)-浴場耦合(Gsb)和耗散率(γ)的選擇。

如果液浴耦合太小，冷卻動力學(xué)很慢，如果太大，系統(tǒng)和浴池自旋會發(fā)生強烈的糾纏，從而降低冷卻性能。因此，必須對這兩個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而在可用時間內(nèi)將能量降至最低。

冷卻方案并不局限于特定的模型，為了證實這一點，研究小組接下來轉(zhuǎn)向了一個特別具有挑戰(zhàn)性的臨界海森堡鏈情況，即量子可積一維模型的原型。研究團隊研究了反鐵磁性海森堡鏈作為第二個聚合(確定的)量子多體模型，然而，該模型對冷卻協(xié)議提出了挑戰(zhàn)。

臨界點基態(tài)也是高度糾纏的，這使得他們可以測試該協(xié)議制備糾纏量子多體狀態(tài)的能力。研究團隊記錄了相對于系統(tǒng)能量的冷卻性能。與橫場伊辛模型非常相似，系統(tǒng)能量迅速下降，并達(dá)到一個接近基態(tài)能量(E0)的終值，此時的終態(tài)也是高度糾纏的。

由于在不對系統(tǒng)中的所有操作員進(jìn)行層析成像情況下，很難在許多量子模擬架構(gòu)上實驗測量系統(tǒng)能量，因此研究小組改為測量了冷卻動力學(xué)過程中的浴池自旋和能量耗散。然后，研究了冷卻協(xié)議的效率，以了解其性能如何隨系統(tǒng)大小的增加而變化。

當(dāng)所需的資源隨系統(tǒng)大小呈多項式增長時，協(xié)議通常是有效的，使用數(shù)值模擬進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的非線性優(yōu)化，并基于縮放行為，研究表明，由于粒子數(shù)量成為量子模擬器中的稀缺資源，初始化所需的最小消耗能將幾乎所有粒子用于實際的量子模擬。

研究中唯一的消相干來源來自于自旋的耗散翻轉(zhuǎn)，盡管量子模擬體系結(jié)構(gòu)也可能在執(zhí)行模擬系統(tǒng)中包含不想要的消相干過程。因此，確定額外退相干對冷卻方案性能的影響至關(guān)重要，這些發(fā)現(xiàn)是通用的，并且適用于其他多體模型。

該團隊將改善的抗消相干能力歸功于耗散狀態(tài)準(zhǔn)備協(xié)議，該協(xié)議可以自校正消相干事件。然后，該團隊利用最先進(jìn)技術(shù)在“囚禁”離子系統(tǒng)中實驗實現(xiàn)了所提出的初始化協(xié)議。研究用40Ca+離子實施了這一設(shè)置，類似于之前的一項研究。將自旋統(tǒng)計信息編碼到光學(xué)量子比特中，并利用徑向激光束相干地操縱能量分裂，其中最右邊的離子充當(dāng)浴自旋，它與鄰近離子的激光誘導(dǎo)耦合實現(xiàn)了系統(tǒng)浴耦合。

在裝置中同時使用了系統(tǒng)哈密頓和系統(tǒng)浴哈密頓作為Hsys和HSB，而在平臺中起主導(dǎo)作用的退相干機制是由全球磁場波動引起。通過這種方式，研究人員展示了如何添加一個耗散驅(qū)動的輔助粒子，將量子模擬器冷卻到低能狀態(tài)。該方法是有效的，即使當(dāng)僅使用單浴自旋來表現(xiàn)出對量子刺激器中出現(xiàn)不要的退相干具有很強的魯棒性時也有效，研究人員還打算通過及時最佳地改變?nèi)鄢氐鸟詈铣?shù)來進(jìn)一步研究水槽的結(jié)垢行為。