清華新聞網(wǎng)4月25日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)中借助離子量子比特實(shí)現(xiàn)了拉比-哈伯德（Rabi-Hubbard）模型，并驗(yàn)證了該模型的量子相變以及量子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。通過(guò)對(duì)16個(gè)離子和16個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)模式的操控，該量子模擬問(wèn)題的有效空間維度達(dá)到了257，超越了現(xiàn)有經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的模擬能力。
拉比-哈伯德模型的序參量演化和量子相變
拉比-哈伯德模型由量子光學(xué)和凝聚態(tài)物理中的兩個(gè)基本模型結(jié)合而成，拉比模型歷史悠久，可以追溯到1936年，它描述了光場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用。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(xiàn)已發(fā)展成為凝聚態(tài)物理學(xué)中許多領(lǐng)域的出發(fā)點(diǎn)。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(diǎn)之間的聲子-聲子相互作用，兩者的結(jié)合使得該模型表現(xiàn)出豐富的物理特性。該模型的實(shí)驗(yàn)方案最初在腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中提出，但是由于技術(shù)困難一直沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。
得益于離子阱量子模擬平臺(tái)的高度可控性，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)拉比-哈伯德模型的可控量子模擬研究。研究人員通過(guò)對(duì)激光的精密操控實(shí)現(xiàn)了離子量子比特與局域聲子的相互作用，而離子阱系統(tǒng)中的庫(kù)倫相互作用形成了不同離子間的局域聲子交換項(xiàng)。在這項(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)量子相變和量子動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面驗(yàn)證了拉比-哈伯德模型的成功實(shí)現(xiàn)。在量子相變方面，研究人員通過(guò)絕熱演化實(shí)現(xiàn)了相干相和非相干相之間的轉(zhuǎn)化，在此過(guò)程中通過(guò)測(cè)量空間自旋關(guān)聯(lián)這一序參量，成功在不同規(guī)模的離子陣列中觀(guān)測(cè)到量子相變現(xiàn)象，且與DMRG方法近似計(jì)算的結(jié)果相符。
在量子動(dòng)力學(xué)方面，拉比-哈伯德模型包含了離子的自旋模式和空間振動(dòng)模式的相互耦合，這顯著增加了該系統(tǒng)有效的希爾伯特空間維度，使得經(jīng)典模擬難度增加。研究人員在小規(guī)模體系（2離子、4離子）下觀(guān)測(cè)到了符合經(jīng)典模擬預(yù)期的量子動(dòng)力學(xué)演化，與量子相變一同證明了本實(shí)驗(yàn)中拉比-哈伯德模型的成功實(shí)現(xiàn)。而在大規(guī)模體系（16離子）和強(qiáng)耦合參數(shù)區(qū)間，常用的經(jīng)典近似方法將不再適用，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效態(tài)空間維度高達(dá)257，相關(guān)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程已經(jīng)難以通過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算。該實(shí)驗(yàn)展示了基于離子阱平臺(tái)的量子多體模擬，將空間振動(dòng)自由度引入量子模擬中，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以計(jì)算的問(wèn)題規(guī)模，是通向未來(lái)大規(guī)模離子阱量子計(jì)算、量子模擬的重要一步。
拉比-哈伯德模型的自旋動(dòng)力學(xué)演化
該成果論文“拉比-哈伯德模型在離子阱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)”（Experimental Realization of the Rabi-Hubbard Model with Trapped Ions）于近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
該論文的共同第一作者為清華大學(xué)交叉信息研究院2017級(jí)博士生梅全鑫、2018級(jí)博士生李博文和助理教授吳宇?lèi)?，通訊作者為段路明教授。其他作者包括交叉信息研究?019級(jí)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(xiàng)目得到了清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、北京量子信息科學(xué)研究院、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)水木學(xué)者項(xiàng)目、博士后國(guó)際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目、清華大學(xué)科研啟動(dòng)基金的資助與支持。
論文鏈接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.160504
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：田姬熔
