Forskere udfører kvantesimulering af dynamiske faseovergange

Kvantesimulering bruger et kontrollerbart kvantesystem til at efterligne komplekse systemer eller løse vanskelige problemer, blandt hvilke ikke-ligevægtsproblemerne i kvante-mange-kropssystemer har tiltrukket bred forskningsinteresse. Sådanne systemer er svære at simulere ved brug af klassiske computere. I stedet, populære kvantesimulatorer, såsom superledende kredsløb, kan give indsigt i disse problemer. Da der er gjort betydelige fremskridt inden for skalerbarhed, sammenhæng og kontrollerbarhed, superledende kredsløb er blevet en af ​​de vigtigste kvantesimuleringsplatforme.

For nylig, en forskergruppe fra Institut for Fysik ved Det Kinesiske Videnskabsakademi, Zhejiang University og RIKEN i Japan, har med succes udført kvantesimulering af dynamiske faseovergange i en Lipkin-Meshkov-Glick-model med en 16-qubit superledende kvantesimulator.

Dynamisk faseovergang (DPT) er en slags ikke-ligevægtsfaseovergang og er teoretisk blevet undersøgt i forskellige kvante-mangekroppsmodeller. Der er to typer DPT. Den første type (DPT-1) fokuserer på parameteren for ikke-ligevægtsorden, mens den anden type (DPT-2) er karakteriseret ved Loschmidt-ekkoets ikke-analytiske adfærd forbundet med Lee-Yang-Fisher-nullerne i statistisk mekanik. Yderligere teoretiske og numeriske undersøgelser har afsløret, at DPT-1 og DPT-2 kan studeres i samme ramme.

Kvanteprocessoren integrerer 20 superledende qubits alle koblet til en fælles resonatorbus, som blev brugt til at generere Schrödinger-kattetilstande i tidligere arbejde. Denne gang, 16 qubits blev brugt til at konstruere Lipkin-Meshkov-Glick (LMG) modellen ved at anvende kontrollerbart tværgående felt til hver qubit. Systemet drives ind i en ikke-ligevægtstilstand med mikrobølger og udvikles derefter under LMG-modellen.

Forskerne observerede først typiske træk ved DPT-1. For det lille tværgående felt, systemet forbliver i den dynamiske ferromagnetiske fase (DFP), og magnetiseringen udviser en langsom afslapning. Imidlertid, givet et stærkt tværgående felt, systemet går ind i den dynamiske paramagnetiske fase (DPP), hvor magnetiseringen udviser en stor oscillation på et tidligt tidspunkt og nærmer sig nul i langtidsgrænsen. Den tidsgennemsnitlige magnetisering som parameter for ikke-ligevægtsorden er nul i DPP, mens det bliver begrænset i DFP.

Så demonstrerede de eksistensen af ​​Loschmidt-ekkoets nuller i DPP, antyder forholdet mellem DPT-1 og DPT-2. Ud over, forskerne udforskede DPT'erne fra et nyt perspektiv. De undersøgte den minimale spinklemning som en sonde for faseovergangen.

De eksperimentelle resultater viser, at minimumsværdien af ​​spin-squeezing-parametrene kan opnås meget tæt på det kritiske punkt for DPT. Dette indikerer en potentiel anvendelse af DPT til kvantemetrologi.

Dette studie, med titlen "Søgning af dynamiske faseovergange med en superledende kvantesimulator, " blev offentliggjort i Videnskab fremskridt .