近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。

前述團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中借助離子阱平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了拉比-哈伯德(Rabi-Hubbard)模型，達(dá)到了約14億億的有效希爾伯特空間(Hilbert Space)維度，并首次在離子阱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)有經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的量子模擬，成為通向未來(lái)大規(guī)模離子阱量子計(jì)算、量子模擬的重要一步。

“拉比-哈伯德模型結(jié)合了物理學(xué)中兩個(gè)重要模型：拉比模型和哈伯德模型?！鼻迦A大學(xué)交叉信息研究院段路明對(duì)澎湃新聞(m.xinlihui.cn)記者介紹，拉比模型由諾貝爾獎(jiǎng)得主Isidor I Rabi在1936年提出，描述了原子與光的基本相互作用；哈伯德模型則起源于1963年，是凝聚態(tài)物理中的一個(gè)基本模型，解釋了具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的材料的基本性質(zhì)。

拉比-哈伯德模型結(jié)合了局域的拉比相互作用和長(zhǎng)程的哈伯德相互作用，展現(xiàn)出豐富的物理性質(zhì)。段路明表示，“由于拉比-哈伯德模型同時(shí)涉及到原子（自旋）和光場(chǎng)（玻色子）的多體相互作用，這一模型的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)需要同時(shí)、精確地控制多體系統(tǒng)的多種自由度，構(gòu)成了主要的技術(shù)挑戰(zhàn)?！?/p>段路明現(xiàn)任清華大學(xué)姚期智講座教授、清華大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)講席教授，從事研究量子計(jì)算機(jī)和量子網(wǎng)絡(luò)方向。他曾獲中科院院長(zhǎng)特別獎(jiǎng)、饒毓泰基礎(chǔ)光學(xué)獎(jiǎng)、中科院百人計(jì)劃、美國(guó)斯隆研究獎(jiǎng)等，2009年當(dāng)選美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士。2018年辭去美國(guó)密歇根大學(xué)費(fèi)米講席教授職位后，段路明選擇回國(guó)，全職在清華大學(xué)交叉信息研究院工作。

基于離子阱的拉比-哈伯德模型實(shí)現(xiàn)

拉比-哈伯德模型的實(shí)驗(yàn)方案最初在腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中提出，但基于前述技術(shù)挑戰(zhàn)未曾在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。

此次，清華大學(xué)段路明研究組“另辟蹊徑”，采用離子阱量子模擬平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)拉比-哈伯德模型。

離子阱的發(fā)明與量子調(diào)控分別獲得1989年和2012年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近年來(lái)，基于離子阱的量子計(jì)算、量子模擬研究，取得了一系列理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。“離子阱系統(tǒng)具有量子相干時(shí)間長(zhǎng)、量子操作保真度高、量子比特連通性好、量子比特?cái)?shù)易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前量子模擬和量子計(jì)算研究中，最為領(lǐng)先的物理系統(tǒng)之一。”

“由于離子阱系統(tǒng)的上述優(yōu)勢(shì)，我們提出并首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了離子阱平臺(tái)對(duì)拉比-哈伯德模型的量子模擬。”段路明向澎湃新聞(m.xinlihui.cn)記者說(shuō)道，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)激光的精密操控，實(shí)現(xiàn)了離子量子比特與局域聲子的相互作用，而離子阱系統(tǒng)中的長(zhǎng)程庫(kù)倫相互作用（即兩個(gè)點(diǎn)電荷間的作用力）形成了不同離子間的局域聲子交換項(xiàng)。

實(shí)驗(yàn)示意圖，圖片來(lái)自論文

前述實(shí)驗(yàn)中主要涉及到激光、高真空和電子學(xué)控制設(shè)備。其中，高真空系統(tǒng)用于隔絕環(huán)境噪聲對(duì)離子阱系統(tǒng)的干擾，電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生精密的實(shí)驗(yàn)序列、控制激光系統(tǒng)對(duì)離子的狀態(tài)進(jìn)行初始化、量子調(diào)控和測(cè)量。

超越經(jīng)典超算能力的量子模擬

段路明研究組不僅首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了拉比-哈伯德模型，并驗(yàn)證了該模型的量子相變和量子動(dòng)力學(xué)過(guò)程，將該量子模擬問(wèn)題的有效空間維度達(dá)到了2的57次方，超越現(xiàn)有經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的模擬能力。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

圖片來(lái)自《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)

在量子相變方面，團(tuán)隊(duì)通過(guò)絕熱演化實(shí)現(xiàn)了相干相和非相干相之間的轉(zhuǎn)化，在此過(guò)程中通過(guò)測(cè)量空間自旋關(guān)聯(lián)這一序參量，成功在不同規(guī)模的離子陣列中觀測(cè)到量子相變現(xiàn)象，且與密度矩陣重整化群(DMRG)方法近似計(jì)算的結(jié)果相符。DMRG是一種用來(lái)精準(zhǔn)計(jì)算量子多體系統(tǒng)的數(shù)值算法，1992年由美國(guó)物理學(xué)家Steven R. White提出。

拉比-哈伯德模型的序參量演化和量子相變，圖片來(lái)自清華大學(xué)

在量子動(dòng)力學(xué)方面，拉比-哈伯德模型包含了離子的自旋模式和空間振動(dòng)模式的相互耦合，這顯著增加了該系統(tǒng)有效的希爾伯特空間維度，使經(jīng)典模擬的困難程度增加。團(tuán)隊(duì)在小規(guī)模體系(即2離子、4離子)下，觀測(cè)到符合經(jīng)典模擬預(yù)期的量子動(dòng)力學(xué)演化，與量子相變共同證明了團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)拉比-哈伯德模型。

在大規(guī)模體系（即16離子）和強(qiáng)耦合參數(shù)區(qū)間，常用的經(jīng)典近似方法不再適用。前述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效希爾伯特空間維度高達(dá)2的57次方，相關(guān)動(dòng)力學(xué)過(guò)程難以通過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算。

拉比-哈伯德模型的自旋動(dòng)力學(xué)演化，圖片來(lái)自清華大學(xué)

“對(duì)于量子系統(tǒng)而言，有效希爾伯特空間維度表征了系統(tǒng)的復(fù)雜度，或者說(shuō)利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬該系統(tǒng)的困難程度，一般而言它隨著量子比特?cái)?shù)的增加而指數(shù)增長(zhǎng)?！倍温访鞅硎驹搶?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了2的57次方、約14億億的有效希爾伯特空間維度，首次在離子阱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超越現(xiàn)有經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的量子模擬。

前述實(shí)驗(yàn)成果擴(kuò)展了離子阱量子模擬平臺(tái)用于研究量子多體問(wèn)題的手段，對(duì)于物理學(xué)的基礎(chǔ)研究具有重要意義?！斑@些量子多體問(wèn)題同樣可用于描述生物大分子、新型材料等的性質(zhì)，因此，未來(lái)的大規(guī)模量子模擬平臺(tái)可以應(yīng)用于生物醫(yī)藥、新材料研發(fā)、新能源等重要領(lǐng)域。”段路明說(shuō)道。