Sympatisk kylning av en kvantsimulator. (A) Ett system med N -snurr som utför kvantsimuleringen interagerar med ytterligare ett badspinn som drivs av dissipativt. (B) Skiss av energinivåstrukturen som visar resonant energitransport mellan systemet och badet, varefter badets centrifugering pumpas dissipativt in i sitt marktillstånd. (C) Nivåschema för implementering med instängda 40Ca+ joner. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
Att simulera beräkningsmässigt komplexa problem med många kroppar på en kvantsimulator har stor potential att leverera insikter om fysiska, kemiska och biologiska system. Fysiker hade tidigare implementerat hamiltons dynamik men problemet med att initiera kvantsimulatorer till ett lämpligt kvanttillstånd förblir olöst. I en ny rapport om Vetenskapliga framsteg , Meghana Raghunandan och ett forskargrupp vid institutet för teoretisk fysik, QUEST -institutet och Institute for quantum optics i Tyskland visade ett nytt tillvägagångssätt. Medan initialiseringsprotokollet som utvecklades i arbetet var i stort sett oberoende av den fysiska förverkligandet av simuleringsenheten, teamet gav ett exempel på att implementera en fångad jonskvantsimulator.
Kantsimulering är en framväxande teknik som syftar till att lösa viktiga öppna problem i förhållande till högtemperatur supraledning, samverkande kvantfältsteorier eller lokalisering av många kroppar. En rad experiment har redan visat det framgångsrika genomförandet av hamiltons dynamik inom en kvantsimulator - dock tillvägagångssättet kan bli utmanande över kvantfasövergångar. I den nya strategin, Raghunandan et al. övervann detta problem genom att bygga på de senaste framstegen i användningen av dissipativa kvantsystem för att konstruera intressanta mångkroppsstater.
Nästan alla hamburger av intresse med många kroppar förblir utanför en tidigare undersökt klass och kräver därför generalisering av förfarandet för att förbereda dissipativt tillstånd. Forskargruppen presenterade därför ett tidigare outforskat paradigm för dissipativ initialisering av en kvantsimulator genom att koppla mångkroppssystemet som utför kvantsimuleringen till en dissipativt driven hjälppartikel. De valde energisplittringen i hjälppartikeln för att bli resonans med mångkroppens excitationsgap i systemet av intresse; beskrivs som skillnaden mellan marktillståndsenergin och energin i det första upphetsade tillståndet. Under sådana resonansförhållanden, energin i kvantsimulatorn skulle kunna överföras effektivt till hjälppartikeln för att den förra skulle kylas sympatiskt, d.v.s. partiklar av en typ, kylda partiklar av annan typ.
Möjliga vägar via vilka en excitation kan kylas ner till markläget:Varje svart pil motsvarar en energiskillnad ∆ - γ ≤ Ei - Ej ≤ ∆ + γ. Varje kylsteg leder till en minskning av systemets energi, så småningom når marken. Energinivåerna visas för (a) Ising -modellen (N =5, J/g =5, γ/g =3,5) och (b) Heisenberg -modellen (N =5, y/J =1,26). Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
Även om värdet på excitationsklyftan med många kroppar vanligtvis är okänt före simulering, Raghunandan et al. visade att gapet kunde bestämmas utifrån kvantsimuleringsdata via en spektroskopisk mätning. Den dissipativa initialiseringsprocessen gav samtidigt samtidigt viktig information om flerkroppssystemet och de noterade att kylning med en enda hjälppartikel var effektiv och robust mot oönskade bullerprocesser som förekommer i kvantsimulatorn.
Specifikt, forskargruppen övervägde olika modell endimensionella (1-D) spin ½ mångkroppssystem kopplade till en enda dissipativt driven extra badspinn (miljö med låg temperatur som domineras av nukleär och paramagnetisk centrifugering). Uppsättningen kan generaliseras till bosoniska eller fermioniska mångkroppssystem. Den experimentella plattformen ställde blygsamma krav, som fungerade effektivt för både analoga och digitala kvantsimulatorer. Uppsättningen krävde inte kontroll över enskilda partiklar i kvantsimulatorn.
Sympatisk kylning av tvärfältet Ising -modell i ferromagnetisk fas (J/g =5, N =5, fx, y, z ={1, 1.1, 0,9}). Kylningens dynamik och systemets slutenergi beror på system-badkopplingen gsb för γ/g =1,9 (A) och dissipationshastigheten γ för gsb/g =1,15 (B). Markenergin indikeras med den streckade linjen. Insatserna visar att marktillståndet kan förberedas med mer än 90% trohet. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
Som en första definitiv modell, Raghunandan et al. betraktade Ising-modellen i ett tvärgående fält för att bilda en enkel plattform utanför klassen frustrationsfria Hamiltonianer. De analyserade installationens kylprestanda genom att spåra systemets energi med hjälp av vågfunktions Monte Carlo-simuleringar. Det tvärgående Ising -fältet är allmänt känt för att genomgå en kvantfasövergång från en paramagnetisk fas till en ferromagnetisk fas. Teamet observerade att energin i systemet minskar snabbt och närmar sig slutligen ett värde nära den numeriskt beräknade markenergin.
Kylprestandan berodde på valet av system-badkoppling (g sb ) och spridningshastigheten (γ). Om system-badkopplingen var för liten, kyldynamiken var mycket långsam, om den var för stor, då blev systemet och badspinnet starkt intrasslade för att minska kylprestandan. Som ett resultat, de två parametrarna måste optimeras, vilket ledde till ett minimum av energi inom den tillgängliga tiden. Kylningsprotokollet var inte begränsat till en specifik modell - för att underbygga detta, laget vände sig sedan till det särskilt utmanande fallet med en kritisk Heisenberg -kedja, dvs arketypen för kvantintegrerbara endimensionella modeller.
Sympatisk kylning av den antiferromagnetiska Heisenberg -modellen (N =4, gsb/J =0,2, γ/J =0,6, fx, y, z ={0,4, 2.3, 0,3}). (A) Kylningsprocedurens effektivitet beror på valet av badspinnsdelning Δ. (B) Den optimala kylningen som leder till den lägsta systemenergin 〈Hsys〉 motsvarar inställningen Δ till mångkroppsgapet ΔE (vertikal streckad linje). Samma minimum observeras vid mätning av energin Edis som försvinner under kylprocessen. Markenergin indikeras med den horisontella streckade linjen. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
Teamet undersökte den antiferromagnetiska Heisenberg-kedjan som en andra paradigmatisk (slutgiltig) kvantmodell med många kroppar. Modellen, dock, representerade en utmaning för kylprotokollet. Grundtillståndet vid den kritiska punkten var också mycket intrasslad-vilket gjorde att de kunde testa protokollets förmåga att förbereda sammanflätade kvantkroppar i många kroppar. Teamet registrerade kylprestanda i förhållande till systemets energi. Ungefär som tvärfältet Ising -modellen, systemenergin minskade snabbt och nådde ett slutvärde nära markenergin (E 0 ), där det slutliga tillståndet också var mycket intrasslat.
Eftersom det är svårt att experimentellt mäta systemets energi på många kvantsimuleringsarkitekturer utan att utföra tomografi på alla operatörer i systemet, laget mätte badspinnet och energin försvann under kylningsdynamiken istället. De undersökte sedan kylningsprotokollets effektivitet för att förstå hur dess egenskaper betedde sig med ökande systemstorlek. Ett protokoll är vanligtvis effektivt när de resurser som krävs för att växa polynomiskt med systemstorleken. Raghunandan et al. använde en numerisk simulering för standard ickelinjär optimering och baserat på skalningsbeteendet, de visade att eftersom antalet partiklar blev en knapp resurs i en kvantsimulator, den nödvändiga minimala omkostnaden för initialisering möjliggjorde användning av nästan alla partiklar för den faktiska kvantsimuleringen.
Kylprestanda för en Ising-liknande kedja med 5 + 1 joner tp =80ℏ/g =24s. Den blå linjen visar dynamiken i det koherensfria fallet vilket resulterar i en fidelitet på f =0,92, medan den orangefärgade linjen indikerar dynamiken under en kollektiv dekoherensmekanism med hastigheten κc =3,3Hz, vilket resulterar i f =0,89. Den streckade linjen indikerar systemets marktillståndsenergi. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
Den enda källan till dekoherens i arbetet härrörde från dissipativa flippar av badspinnet, även om kvantsimuleringsarkitekturer också kan innehålla oönskade dekoherensprocesser i systemet som utför simuleringen. Som ett resultat, det var avgörande att bestämma konsekvenserna av ytterligare avkoherens för kylprotokollets prestanda-resultaten var generiska och tillämpliga på andra modeller med många kroppar. Teamet krediterade den förbättrade robustheten mot dekoherens till det dissipativa tillståndsförberedelseprotokollet som skulle kunna korrigera självhäftande händelser själv.
Teamet insåg sedan experimentellt det föreslagna initialiseringsprotokollet i ett instängd jonsystem med toppmodern teknik. De implementerade installationen med 40 Ca + joner som liknar en tidigare studie. De kodade centrifugeringsstatistiken i den optiska qubiten och manipulerade energisplittring koherent med radiella laserstrålar-där den högra jonen fungerade som badspinn och dess laserinducerade koppling till den närliggande jonimplementerade systembadkopplingen. De använde både system- och systembad Hamiltonians som H sys och H. sb i installationen och den dominerande dekoherensmekanismen i plattformen härrörde från globala magnetfältfluktuationer.
På det här sättet, Meghana Raghunandan och kollegor demonstrerade hur tillsats av en dissipativt driven hjälppartikel sympatiskt kunde kyla en kvantsimulator till lågenergistillstånd. Tillvägagångssättet är effektivt även om man bara använder ett enda badspinn för att uppvisa stark robusthet mot oönskad avkänning som förekommer i kvantstimulatorn. Raghunandan et al. tänker undersöka skalningsbeteendet ytterligare genom att optimalt variera kopplingskonstanterna i badet i tid.
© 2020 Science X Network
