Initialisering af kvantesimulatorer ved sympatisk afkøling

Simulering af beregningsmæssigt komplekse mangekropsproblemer på en kvantesimulator har stort potentiale til at levere indsigt i fysiske, kemiske og biologiske systemer. Fysikere havde tidligere implementeret hamiltons dynamik, men problemet med at starte kvantesimulatorer til en passende kvantetilstand forbliver uløst. I en ny rapport om Videnskab fremskridt , Meghana Raghunandan og et forskerhold på instituttet for teoretisk fysik, QUEST -instituttet og Institut for kvanteoptik i Tyskland demonstrerede en ny tilgang. Mens initialiseringsprotokollen udviklet i arbejdet stort set var uafhængig af den fysiske realisering af simuleringsenheden, teamet gav et eksempel på implementering af en fanget ion -kvantesimulator.

Kvantesimulering er en ny teknologi, der sigter mod at løse vigtige åbne problemer i forhold til høj temperatur superledning, interagerende kvantefeltteorier eller lokalisering af mange legemer. En række eksperimenter har allerede vist den vellykkede implementering af hamiltons dynamik inden for en kvantesimulator - dog tilgangen kan blive udfordrende på tværs af kvantefaseovergange. I den nye strategi, Raghunandan et al. overvandt dette problem ved at bygge på de seneste fremskridt inden for brugen af ​​dissipative kvantesystemer til at konstruere interessante stater i mange legemer.

Næsten alle mange-hamiltonians af interesse forbliver uden for en tidligere undersøgt klasse og kræver derfor generalisering af den dissipative tilstands forberedelsesprocedure. Forskergruppen præsenterede derfor et tidligere uudforsket paradigme for dissipativ initialisering af en kvantesimulator ved at koble mangekroppssystemet, der udfører kvantesimuleringen, til en dissipativt drevet hjælpepartikel. De valgte energisplitningen inden i hjælpepartiklen for at blive resonant med systemets interesse-mangel mellem mange organer; beskrevet som forskellen mellem jordtilstandsenergien og energien fra den første ophidsede tilstand. Under sådanne resonansbetingelser, kvantesimulatorens energi kunne overføres effektivt til hjælpepartiklen, før førstnævnte afkøles sympatisk, dvs. partikler af én type, afkølede partikler af en anden type.

Mens værdien af ​​excitationsgabet med mange krop normalt er ukendt inden simulering, Raghunandan et al. viste, at kløften kunne bestemmes ud fra kvantesimuleringsdata via en spektroskopisk måling. Den dissipative initialiseringsproces gav samtidig også vigtig information om mangekroppssystemet, og de bemærkede, at afkøling med en enkelt hjælpepartikel var effektiv og robust mod uønskede støjprocesser, der forekommer i kvantesimulatoren.

Specifikt, forskergruppen betragtede forskellige endimensionale (1-D) spin ½ mange-kropssystemer koblet til et enkelt dissipativt drevet hjælpebadspin (lavtemperaturmiljø domineret af nukleart og paramagnetisk spin). Opsætningen kunne generaliseres til bosoniske eller fermioniske mangekropssystemer. Den eksperimentelle platform stillede beskedne krav, som fungerede effektivt for både analoge og digitale kvantesimulatorer. Opsætningen krævede ikke kontrol på tværs af individuelle partikler i kvantesimulatoren.

Som den første endelige model, Raghunandan et al. betragtede Ising-modellen i et tværgående felt for at danne en simpel platform uden for klassen af ​​frustrationsfrie Hamiltonianere. De analyserede opsætningens køleydelse ved at spore systemets energi ved hjælp af bølgefunktions Monte Carlo-simuleringer. Det tværgående Ising -felt er generelt kendt for at gennemgå en kvantefaseovergang fra en paramagnetisk fase til en ferromagnetisk fase. Teamet observerede systemets energi falde hurtigt og nærmer sig endelig en værdi tæt på den numerisk beregnede grundstatsenergi.

Køleydelsen afhænger af valget af systembadkoblingen (g _sb ) og spredningshastigheden (γ). Hvis system-bad-koblingen var for lille, køledynamikken var meget langsom, hvis den var for stor, derefter blev systemet og badespindet stærkt indviklet for at reducere køleydelsen. Som resultat, de to parametre skulle optimeres, hvilket førte til et minimum i energi inden for den tilgængelige tid. Afkølingsprotokollen var ikke begrænset til en bestemt model - for at underbygge dette, holdet vendte sig derefter til den særligt udfordrende sag om en kritisk Heisenberg -kæde, dvs. arketypen for kvanteintegrerbare endimensionelle modeller.

Teamet undersøgte den antiferromagnetiske Heisenberg-kæde som en anden paradigmatisk (endelig) kvantemodel med mange legemer. Modellen, imidlertid, repræsenterede en udfordring for køleprotokollen. Grundtilstanden på det kritiske punkt var også meget sammenfiltret-hvilket tillod dem at teste protokollens evne til at forberede sammenfiltrede kvante mange-legemsstater. Teamet registrerede køleydelsen i forhold til systemets energi. Ligesom Ising -modellen på tværs af feltet, systemenergien faldt hurtigt og nåede en slutværdi tæt på jordtilstandsenergien (E ₀ ), hvor den endelige tilstand også var meget sammenfiltret.

Da det er svært at eksperimentelt måle systemets energi på mange kvantesimuleringsarkitekturer uden at udføre tomografi på alle operatører i systemet, holdet målte badets centrifugering og energien forsvandt under køledynamikken i stedet. De undersøgte derefter effektiviteten af ​​køleprotokollen for at forstå, hvordan dens egenskaber opførte sig med stigende systemstørrelse. En protokol er typisk effektiv, når de ressourcer, der kræves for at vokse polynomisk med systemstørrelsen. Raghunandan et al. brugte en numerisk simulering til standard ikke -lineær optimering og baseret på skaleringsadfærden, de viste, at siden antallet af partikler blev en knap ressource i en kvantesimulator, den nødvendige minimale overhead til initialisering tillod brug af næsten alle partikler til den faktiske kvantsimulering.

Den eneste kilde til decoherence i arbejdet stammede fra afledende flips af badespinnet, selvom kvantesimuleringsarkitekturer også kan indeholde uønskede dekoherensprocesser i systemet, der udfører simuleringen. Som resultat, det var afgørende at fastslå konsekvenserne af yderligere dekoherens for køleprotokollens ydeevne-fundene var generiske og anvendelige på andre modeller med mange kropstyper. Holdet krediterede den forbedrede robusthed mod dekoherens til den dissipative tilstandsforberedelsesprotokol, der kunne selvkorrektion af dekoherenshændelser.

Teamet realiserede derefter eksperimentelt den foreslåede initialiseringsprotokol i et fanget ionsystem med topmoderne teknologi. De implementerede opsætningen med ⁴⁰ Ca ⁺ ioner svarende til en tidligere undersøgelse. De kodede spin-statistikkerne i den optiske qubit og manipulerede energisplitning kohærent med radiale laserstråler-hvor den yderste ion fungerede som badespin og dens laserinducerede kobling til den nærliggende ionimplementerede system-bad-kobling. De anvendte både system- og systembad Hamiltonians som H _sys og H. _sb i opsætningen og den dominerende dekoherensmekanisme i platformen opstod fra globale magnetfeltudsving.

På denne måde, Meghana Raghunandan og kolleger demonstrerede, hvordan tilføjelse af en dissipativt drevet hjælpepartikel sympatisk kunne afkøle en kvantesimulator til lavenergitilstande. Fremgangsmåden er effektiv, selv når der kun bruges et enkelt badspin til at udvise stærk robusthed mod uønsket dekoherens, der forekommer i kvantestimulatoren. Raghunandan et al. agter at undersøge skaleringsadfærden yderligere ved optimalt at variere koblingskonstanterne i badet i tide.

© 2020 Science X Network