段路明研究組實現基本多體模型的離子阱量子模擬，超越經典超算的模擬能力
2022年04月24日 瀏覽次數: 0
近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領域取得重要進展，首次在實驗中借助離子量子比特實現了拉比-哈伯德（Rabi-Hubbard）模型，并驗證了該模型的量子相變以及量子動力學過程。通過對16個離子和16個簡諧振動模式的操控，該量子模擬問題的有效空間維度達到了257，超越了現有經典超級計算機的模擬能力。該成果論文《Experimental Realization of the Rabi-Hubbard Model with Trapped Ions》近日發表于國際學術期刊《Physical Review Letters》。
拉比-哈伯德模型由量子光學和凝聚態物理中的兩個基本模型結合而成，拉比模型歷史悠久，可以追溯到1936年，它描述了光場與物質的相互作用；而哈伯德模型起源于1963年，是描述晶格中粒子相互作用的最基本的模型，現已發展成為凝聚態物理學中許多領域的出發點。拉比-哈伯德模型包含了局域的拉比模型自旋-聲子相互作用以及格點之間的聲子-聲子相互作用，兩者的結合使得該模型表現出豐富的物理特性。該模型的實驗方案最初在腔量子電動力學系統中提出，但是由于技術困難一直沒有在實驗上實現。
拉比-哈伯德模型的序參量演化和量子相變
得益于離子阱量子模擬平臺的高度可控性，研究人員實現了對拉比-哈伯德模型的可控量子模擬研究。研究人員通過對激光的精密操控實現了離子量子比特與 局域聲子的相互作用，而離子阱系統中的庫倫相互作用形成了不同離子間的局域聲子交換項。在這項工作中，研究人員通過量子相變和量子動力學兩個方面驗證了拉比-哈伯德模型的成功實現。在量子相變方面，研究人員通過絕熱演化實現了相干相和非相干相之間的轉化，在此過程中通過測量空間自旋關聯這一序參量，成功在不同規模的離子陣列中觀測到量子相變現象，且與DMRG方法近似計算的結果相符。而在量子動力學方面，拉比-哈伯德模型包含了離子的自旋模式和空間振動模式的相互耦合，這顯著增加了該系統有效的希爾伯特空間維度，使得經典模擬難度增加。研究人員在小規模體系（2離子、4離子）下觀測到了符合經典模擬預期的量子動力學演化，與量子相變一同證明了本實驗中拉比-哈伯德模型的成功實現。而在大規模體系（16離子）和強耦合參數區間，常用的經典近似方法將不再適用，實驗系統的有效態空間維度高達257，相關的動力學過程已經難以通過經典計算機模擬計算。該實驗展示了基于離子阱平臺的量子多體模擬，將空間振動自由度引入量子模擬中，實現了經典計算機難以計算的問題規模，是通向未來大規模離子阱量子計算、量子模擬的重要一步。
拉比-哈伯德模型的自旋動力學演化
該論文的共同第一作者為清華大學交叉信息研究院博士生梅全鑫、李博文和助理教授吳宇愷，通訊作者為段路明教授，其他作者包括交叉信息研究院博士生王也、副研究員周子超、以及華翊量子公司的研究員蔡明磊、姚麟。該項目得到了清華大學自主科研計劃、北京量子信息科學研究院、國家重點研發計劃、教育部量子信息前沿科學中心、清華大學水木學者項目、博士后國際交流計劃引進項目、清華大學科研啟動基金的資助與支持。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.160504