Kwantumsimulatie maakt gebruik van een controleerbaar kwantumsysteem om complexe systemen na te bootsen of hardnekkige problemen op te lossen. waaronder de niet-evenwichtsproblemen van quantum veellichamensystemen hebben brede onderzoeksinteresse getrokken. Dergelijke systemen zijn moeilijk te simuleren met klassieke computers. In plaats daarvan, populaire kwantumsimulators, zoals supergeleidende circuits, kan inzicht geven in deze problemen. Aangezien er aanzienlijke vooruitgang is geboekt op het gebied van schaalbaarheid, samenhang en beheersbaarheid, supergeleidende circuits zijn een van de belangrijkste kwantumsimulatieplatforms geworden.

Onlangs, een onderzoeksgroep van het Institute of Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen, Zhejiang University en RIKEN in Japan, heeft met succes kwantumsimulatie van dynamische faseovergangen uitgevoerd in een Lipkin-Meshkov-Glick-model met een supergeleidende kwantumsimulator van 16 qubit.

Dynamische faseovergang (DPT) is een soort niet-evenwichtsfaseovergang en is theoretisch onderzocht in verschillende quantum veel-lichaamsmodellen. Er zijn twee soorten DPT. Het eerste type (DPT-1) richt zich op de niet-evenwichtsordeparameter, terwijl het tweede type (DPT-2) wordt gekenmerkt door het niet-analytische gedrag van Loschmidt-echo geassocieerd met de Lee-Yang-Fisher-nullen in statistische mechanica. Verder theoretisch en numeriek onderzoek hebben aangetoond dat DPT-1 en DPT-2 in hetzelfde kader kunnen worden bestudeerd.

De kwantumprocessor integreert 20 supergeleidende qubits, allemaal gekoppeld aan een gemeenschappelijke resonatorbus, die in eerder werk werd gebruikt om Schrödinger-kattentoestanden te genereren. Deze keer, 16 qubits werden gebruikt om het Lipkin-Meshkov-Glick (LMG) -model te ontwikkelen door op elke qubit een regelbaar transversaal veld toe te passen. Het systeem wordt met microgolven in een niet-evenwichtstoestand gebracht en vervolgens geëvolueerd onder het LMG-model.

De onderzoekers observeerden eerst typische kenmerken van de DPT-1. Voor het kleine transversale veld, het systeem blijft in de dynamische ferromagnetische fase (DFP), en de magnetisatie vertoont een langzame relaxatie. Echter, gegeven een sterk transversaal veld, het systeem gaat de dynamische paramagnetische fase (DPP) in, waarbij de magnetisatie in een vroeg tijdstip een grote oscillatie vertoont en in de lange tijdslimiet nul nadert. De tijdgemiddelde magnetisatie als de niet-evenwichtsordeparameter is nul in de DPP, terwijl het eindig wordt in de DFP.

Daarna demonstreerden ze het bestaan ​​van de nullen van de Loschmidt-echo in de DPP, suggereert de relatie tussen DPT-1 en DPT-2. In aanvulling, de onderzoekers verkenden de DPT's vanuit een nieuw perspectief. Ze bestudeerden de minimale spin-squeezing als een sonde van de faseovergang.

De experimentele resultaten laten zien dat de minimale waarde van de spin-squeezing-parameters zeer dicht bij het kritieke punt van de DPT kan worden bereikt. Dit duidt op een mogelijke toepassing van de DPT op kwantummetrologie.

Deze studie, getiteld "Dynamische faseovergangen onderzoeken met een supergeleidende kwantumsimulator, " werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .