Simulering af magnetisering i en Heisenberg kvantespinkæde

Kvantesimulatorernes hurtige fremskridt gør dem nu i stand til at studere problemer, der før har været begrænset til teoretisk fysik og numerisk simulering. Et team af forskere ved Google Quantum AI og deres samarbejdspartnere viste denne nye evne ved at studere dynamik i 1D kvantemagneter, specifikt kæder af spin-1⁄2 partikler.

De undersøgte et statistisk mekanikproblem, der har været i fokus i de senere år:Kunne sådan en 1D kvantemagnet beskrives med de samme ligninger som sne, der falder og klumper sig sammen?

Det virker mærkeligt, at de to systemer ville være forbundet, men i 2019 fandt forskere ved universitetet i Ljubljana slående numeriske beviser, der fik dem til at formode, at spin-dynamikken i spin-1⁄2 Heisenberg-modellen er i Kardar-Parisi- Zhang (KPZ) universalitetsklasse, baseret på skaleringen af ​​spin-spin-korrelationsfunktionen med uendelig temperatur.

KPZ-ligningen blev oprindeligt introduceret for at beskrive den stokastiske, ikke-lineære dynamik af drevne grænseflader og har vist sig at gælde for en lang række klassiske systemer, såsom voksende fronter af skovbrande, der tilhører KPZ-universalitetsklassen. Det ville være overraskende, hvis spin-1⁄2 Heisenberg-modellen var i denne universalitetsklasse, som forskerne ved Ljubljana formodede, fordi den er lineær og ikke-stokastisk, i modsætning til de andre systemer i denne klasse.

I 2022 begyndte kvantesimuleringer at kaste lys over dette spørgsmål med kolde atomeksperimenter udført af forskere ved Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Ved at studere afslapningen af ​​en indledende ubalance i de magnetiske spins fandt de eksperimentelle beviser til støtte for denne formodning, som blev offentliggjort i Science i 2022.

For yderligere at udforske spindynamikken i denne model udnyttede Google-samarbejdet deres superledende kvanteprocessors evne til hurtigt at erhverve store mængder eksperimentelle data, hvilket muliggjorde en detaljeret undersøgelse af den underliggende statistik.

Specifikt, ved hjælp af en kæde af 46 superledende qubits, målte de sandsynlighedsfordelingen af, hvor mange spins krydsede midten af ​​kæden, en størrelse kendt som den overførte magnetisering. Middelværdien og variansen af ​​denne fordeling viste adfærd i overensstemmelse med at være i KPZ universalitetsklassen, i fuld overensstemmelse med resultaterne af Max-Planck-Institut-gruppen.