Het simuleren van computationeel complexe veellichamenproblemen op een kwantumsimulator heeft een groot potentieel om inzichten te verschaffen in fysieke, chemische en biologische systemen. Natuurkundigen hadden eerder Hamiltoniaanse dynamiek geïmplementeerd, maar het probleem van het initiëren van kwantumsimulators naar een geschikte kwantumtoestand blijft onopgelost. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Meghana Raghunandan en een onderzoeksteam van het instituut voor theoretische natuurkunde, Het QUEST-instituut en het Instituut voor kwantumoptica in Duitsland demonstreerden een nieuwe aanpak. Hoewel het in het werk ontwikkelde initialisatieprotocol grotendeels onafhankelijk was van de fysieke realisatie van het simulatieapparaat, het team gaf een voorbeeld van het implementeren van een quantumsimulator voor gevangen ionen.

Kwantumsimulatie is een opkomende technologie die is gericht op het oplossen van belangrijke open problemen met betrekking tot supergeleiding bij hoge temperaturen, interagerende kwantumveldentheorieën of lokalisatie van veel lichamen. Een reeks experimenten heeft al de succesvolle implementatie van Hamiltoniaanse dynamiek binnen een kwantumsimulator aangetoond, maar de aanpak kan een uitdaging worden bij kwantumfaseovergangen. In de nieuwe strategie Raghunandan et al. heeft dit probleem overwonnen door voort te bouwen op recente vorderingen in het gebruik van dissipatieve kwantumsystemen om interessante toestanden met veel lichamen te ontwikkelen.

Bijna alle veel-body Hamiltonianen die van belang zijn, blijven buiten een eerder onderzochte klasse en vereisen daarom generalisatie van de dissipatieve staatsvoorbereidingsprocedure. Het onderzoeksteam presenteerde daarom een ​​eerder onontgonnen paradigma voor de dissipatieve initialisatie van een kwantumsimulator door het veellichamensysteem dat de kwantumsimulatie uitvoert te koppelen aan een dissipatief aangedreven hulpdeeltje. Ze kozen de energiesplitsing binnen het hulpdeeltje om resonant te worden met de excitatiekloof van veel lichamen van het systeem van interesse; beschreven als het verschil van de grondtoestandsenergie en de energie van de eerste aangeslagen toestand. Tijdens dergelijke resonantieomstandigheden, de energie van de kwantumsimulator kan efficiënt worden overgebracht naar het hulpdeeltje zodat het eerstgenoemde sympathiek kan worden gekoeld, d.w.z., deeltjes van één type, gekoelde deeltjes van een ander type.

Hoewel de waarde van de excitatiekloof met veel lichamen meestal onbekend is voorafgaand aan de simulatie, Raghunandan et al. toonde aan dat de kloof kon worden bepaald uit kwantumsimulatiegegevens via een spectroscopische meting. Het dissipatieve initialisatieproces leverde tegelijkertijd ook belangrijke informatie op over het veellichamensysteem en ze merkten op dat koeling door een enkel hulpdeeltje efficiënt en robuust was tegen ongewenste ruisprocessen die in de kwantumsimulator optreden.

specifiek, het onderzoeksteam beschouwde verschillende model eendimensionale (1-D) spin - veel-lichaamssystemen gekoppeld aan een enkele dissipatief aangedreven hulpbadspin (lage temperatuuromgeving gedomineerd door nucleaire en paramagnetische spin). De opzet kan worden gegeneraliseerd naar bosonische of fermionische veellichamensystemen. Het experimentele platform stelde bescheiden eisen, die effectief werkte voor zowel analoge als digitale kwantumsimulators. De opstelling vereiste geen controle over afzonderlijke deeltjes van de kwantumsimulator.

Als eerste definitief model Raghunandan et al. beschouwde het Ising-model in een transversaal veld om een ​​eenvoudig platform te vormen buiten de klasse van frustratievrije Hamiltonianen. Ze analyseerden de koelprestaties van de opstelling door de systeemenergie te volgen met behulp van Monte Carlo-simulaties met golffunctie. Het is algemeen bekend dat het transversale Ising-veld een kwantumfase-overgang ondergaat van een paramagnetische fase naar een ferromagnetische fase. Het team zag dat de energie van het systeem snel afnam en uiteindelijk een waarde naderde die dicht in de buurt kwam van de numeriek berekende grondtoestandsenergie.

Het koelvermogen was afhankelijk van de keuze van de systeem-badkoppeling (g _sb ) en de dissipatiesnelheid (γ). Als de systeem-badkoppeling te klein was, de koelingsdynamiek was erg traag, als het te groot was, toen raakten het systeem en de badcentrifuge sterk verstrengeld om de koelprestaties te verminderen. Als resultaat, de twee parameters moesten worden geoptimaliseerd om binnen de beschikbare tijd tot een minimum aan energie te komen. Het koelprotocol was niet beperkt tot een specifiek model - om dit te onderbouwen, het team wendde zich vervolgens tot het bijzonder uitdagende geval van een kritieke Heisenberg-keten, d.w.z. het archetype van kwantumintegreerbare eendimensionale modellen.

Het team onderzocht de antiferromagnetische Heisenberg-keten als een tweede paradigmatisch (definitief) kwantummodel met veel lichamen. Het model, echter, vormde een uitdaging voor het koelprotocol. De grondtoestand op het kritieke punt was ook sterk verstrengeld - waardoor ze het vermogen van het protocol konden testen om verstrengelde quantum veel-lichaamstoestanden voor te bereiden. Het team registreerde de koelprestaties ten opzichte van de systeemenergie. Net als het transversale veld Ising-model, de systeemenergie nam snel af en bereikte een eindwaarde dicht bij de grondtoestandsenergie (E ₀ ), waar de uiteindelijke toestand ook sterk verstrengeld was.

Omdat het moeilijk is om de systeemenergie experimenteel te meten op veel kwantumsimulatiearchitecturen zonder tomografie uit te voeren op alle operators in het systeem, het team heeft in plaats daarvan de badrotatie en energie gemeten die tijdens de koelingsdynamiek werd gedissipeerd. Vervolgens onderzochten ze de efficiëntie van het koelprotocol om te begrijpen hoe de eigenschappen zich gedroegen bij toenemende systeemgrootte. Een protocol is doorgaans efficiënt wanneer de middelen die nodig zijn om polynoom mee te groeien met de systeemgrootte. Raghunandan et al. een numerieke simulatie gebruikt voor standaard niet-lineaire optimalisatie en op basis van het schaalgedrag, ze toonden aan dat sinds het aantal deeltjes een schaarse hulpbron werd in een kwantumsimulator, de vereiste minimale overhead voor initialisatie maakte het gebruik van bijna alle deeltjes voor de eigenlijke kwantumsimulatie mogelijk.

De enige bron van decoherentie in het werk vloeide voort uit dissipatieve flips van de badrotatie, hoewel kwantumsimulatie-architecturen ook ongewenste decoherentieprocessen kunnen bevatten in het systeem dat de simulatie uitvoert. Als resultaat, het was van cruciaal belang om de gevolgen van extra decoherentie op de prestaties van het koelprotocol te bepalen - de bevindingen waren generiek en toepasbaar op andere veellichaamsmodellen. Het team schreef de verbeterde robuustheid tegen decoherentie toe aan het dissipatieve staatvoorbereidingsprotocol dat decoherentiegebeurtenissen zelfcorrigeerde.

Het team realiseerde vervolgens experimenteel het voorgestelde initialisatieprotocol in een gevangen ionensysteem met ultramoderne technologie. Ze implementeerden de setup met ⁴⁰ Ca ⁺ ionen vergelijkbaar met een eerdere studie. Ze codeerden de spinstatistieken in de optische qubit en manipuleerden de energiesplitsing coherent met radiale laserstralen - waarbij het meest rechtse ion diende als de badspin en de laser-geïnduceerde koppeling met de naburige ion-geïmplementeerde systeem-badkoppeling. Ze gebruikten zowel systeem- als systeembad-Hamiltonianen als H _sys en H _sb in de opstelling en het dominante decoherentiemechanisme in het platform kwam voort uit globale magnetische veldfluctuaties.

Op deze manier, Meghana Raghunandan en collega's demonstreerden hoe het toevoegen van een dissipatief aangedreven hulpdeeltje een kwantumsimulator op sympathieke wijze kan koelen tot lage-energietoestanden. De aanpak is efficiënt, zelfs bij gebruik van slechts een enkele badspin, om sterke robuustheid te vertonen tegen ongewenste decoherentie die optreedt in de kwantumstimulator. Raghunandan et al. zijn van plan om het schaalgedrag verder te onderzoeken door de koppelingsconstanten van het bad in de tijd optimaal te variëren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk