Raffreddamento simpatico di un simulatore quantistico. (A) Un sistema di N spin che esegue la simulazione quantistica interagisce con uno spin aggiuntivo del bagno che è guidato in modo dissipativo. (B) Schizzo della struttura del livello di energia che mostra il trasporto di energia risonante tra il sistema e il bagno, dopodiché lo spin del bagno viene pompato dissipativamente nel suo stato fondamentale. (C) Schema di livello per l'implementazione con ioni 40Ca+ intrappolati. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
La simulazione di problemi a molti corpi complessi dal punto di vista computazionale su un simulatore quantistico ha un grande potenziale per fornire informazioni su aspetti fisici, sistemi chimici e biologici. I fisici avevano precedentemente implementato la dinamica hamiltoniana, ma il problema di avviare i simulatori quantistici a uno stato quantistico adatto rimane irrisolto. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Meghana Raghunandan e un gruppo di ricerca presso l'istituto di fisica teorica, L'istituto QUEST e l'Istituto per l'ottica quantistica in Germania hanno dimostrato un nuovo approccio. Mentre il protocollo di inizializzazione sviluppato nel lavoro era in gran parte indipendente dalla realizzazione fisica del dispositivo di simulazione, il team ha fornito un esempio di implementazione di un simulatore quantistico di ioni intrappolati.
La simulazione quantistica è una tecnologia emergente volta a risolvere importanti problemi aperti relativi alla superconduttività ad alta temperatura, teorie dei campi quantistici interagenti o localizzazione a molti corpi. Una serie di esperimenti ha già dimostrato la riuscita implementazione della dinamica hamiltoniana all'interno di un simulatore quantistico, tuttavia, l'approccio può diventare impegnativo attraverso le transizioni di fase quantistiche. Nella nuova strategia, Raghunandan et al. ha superato questo problema basandosi sui recenti progressi nell'uso di sistemi quantistici dissipativi per progettare interessanti stati a molti corpi.
Quasi tutte le Hamiltoniane di interesse a molti corpi rimangono al di fuori di una classe precedentemente studiata e quindi richiedono la generalizzazione della procedura di preparazione dello stato dissipativo. Il team di ricerca ha quindi presentato un paradigma precedentemente inesplorato per l'inizializzazione dissipativa di un simulatore quantistico accoppiando il sistema a molti corpi che esegue la simulazione quantistica a una particella ausiliaria guidata in modo dissipativo. Hanno scelto la scissione dell'energia all'interno della particella ausiliaria per diventare risonante con il gap di eccitazione a molti corpi del sistema di interesse; descritto come la differenza tra l'energia dello stato fondamentale e l'energia del primo stato eccitato. In tali condizioni di risonanza, l'energia del simulatore quantistico potrebbe essere trasferita in modo efficiente alla particella ausiliaria affinché la prima venga raffreddata in modo simpatico, cioè., particelle di un tipo, particelle raffreddate di altro tipo.
Possibili percorsi attraverso i quali un'eccitazione può essere raffreddata allo stato fondamentale:Ogni freccia nera corrisponde a una differenza di energia ∆ − γ ≤ Ei − Ej ≤ ∆ + γ. Ogni fase di raffreddamento porta ad una riduzione dell'energia del sistema, infine raggiungere lo stato fondamentale. I livelli di energia sono mostrati per (a) il modello di Ising (N =5, J/g =5, γ/g =3.5) e (b) il modello di Heisenberg (N =5, /J =1,26). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
Mentre il valore del gap di eccitazione a molti corpi è solitamente sconosciuto prima della simulazione, Raghunandan et al. ha mostrato che il divario potrebbe essere determinato dai dati di simulazione quantistica tramite una misurazione spettroscopica. Il processo di inizializzazione dissipativa ha anche fornito contemporaneamente importanti informazioni sul sistema a molti corpi e hanno notato che il raffreddamento da parte di una singola particella ausiliaria era efficiente e robusto contro i processi di rumore indesiderati che si verificano nel simulatore quantistico.
Nello specifico, il team di ricerca ha preso in considerazione diversi modelli unidimensionali (1-D) di sistemi spin ½ a molti corpi accoppiati a un singolo spin del bagno ausiliario azionato in modo dissipativo (ambiente a bassa temperatura dominato da spin nucleare e paramagnetico). La configurazione potrebbe essere generalizzata a sistemi a molti corpi bosonici o fermionici. La piattaforma sperimentale imponeva requisiti modesti, che ha funzionato efficacemente sia per i simulatori quantistici analogici che per quelli digitali. La configurazione non richiedeva il controllo sulle singole particelle del simulatore quantistico.
Raffreddamento simpatico del modello di Ising del campo trasversale in fase ferromagnetica (J/g =5, N =5, fx, si, z ={1, 1.1, 0.9}). La velocità della dinamica frigorifera e l'energia finale del sistema dipendono dall'accoppiamento impianto-bagno gb per γ/g =1,9 (A) e dalla velocità di dissipazione γ per gb/g =1,15 (B). L'energia dello stato fondamentale è indicata dalla linea tratteggiata. I riquadri mostrano che lo stato fondamentale può essere preparato con una fedeltà superiore al 90%. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
Come primo modello definitivo, Raghunandan et al. considerato il modello di Ising in un campo trasversale per formare una semplice piattaforma al di fuori della classe delle Hamiltoniane prive di frustrazioni. Hanno analizzato le prestazioni di raffreddamento della configurazione monitorando l'energia del sistema utilizzando simulazioni Monte Carlo con funzione d'onda. Il campo di Ising trasversale è generalmente noto per subire una transizione di fase quantistica da una fase paramagnetica a una fase ferromagnetica. Il team ha osservato che l'energia del sistema diminuisce rapidamente e alla fine si avvicina a un valore vicino all'energia dello stato fondamentale calcolata numericamente.
La resa frigorifera è dipesa dalla scelta dell'accoppiamento impianto-bagno (g sb ) e la velocità di dissipazione (γ). Se l'accoppiamento del sistema-vasca era troppo piccolo, la dinamica di raffreddamento era molto lenta, se fosse troppo grande, quindi il sistema e la centrifuga del bagno si sono fortemente intrecciati per ridurre le prestazioni di raffreddamento. Di conseguenza, i due parametri dovevano essere ottimizzati portando ad un minimo di energia entro il tempo disponibile. Il protocollo di raffreddamento non era limitato a un modello specifico:a conferma di ciò, il team si è poi rivolto al caso particolarmente impegnativo di una catena di Heisenberg critica, cioè l'archetipo dei modelli unidimensionali integrabili quantistici.
Raffreddamento simpatico del modello di Heisenberg antiferromagnetico (N =4, gb/J =0,2, γ/J =0,6, fx, si, z ={0.4, 2.3, 0,3}). (A) L'efficienza della procedura di raffreddamento dipende dalla scelta dello spin splitting del bagno Δ. (B) Il raffreddamento ottimale che porta all'energia di sistema più bassa Hsys〉 corrisponde all'impostazione della distanza tra molti corpi ΔE (linea tratteggiata verticale). Lo stesso minimo si osserva quando si misura l'energia Edis che viene dissipata durante il processo di raffreddamento. L'energia dello stato fondamentale è indicata dalla linea tratteggiata orizzontale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
Il team ha studiato la catena di Heisenberg antiferromagnetica come secondo modello paradigmatico (definitivo) quantistico a molti corpi. Il modello, però, ha rappresentato una sfida per il protocollo di raffreddamento. Anche lo stato fondamentale nel punto critico era altamente entangled, consentendo loro di testare la capacità del protocollo di preparare stati quantistici a molti corpi entangled. Il team ha registrato le prestazioni di raffreddamento in relazione all'energia del sistema. Proprio come il modello di Ising a campo trasversale, l'energia del sistema è rapidamente diminuita e ha raggiunto un valore finale vicino all'energia dello stato fondamentale (E 0 ), dove anche lo stato finale era altamente impigliato.
Poiché è difficile misurare sperimentalmente l'energia del sistema su molte architetture di simulazione quantistica senza eseguire la tomografia su tutti gli operatori del sistema, il team ha invece misurato la rotazione del bagno e l'energia dissipata durante le dinamiche di raffreddamento. Hanno quindi studiato l'efficienza del protocollo di raffreddamento per capire come si comportavano le sue proprietà con l'aumento delle dimensioni del sistema. Un protocollo è in genere efficiente quando le risorse necessarie per crescere in modo polinomiale con la dimensione del sistema. Raghunandan et al. utilizzato una simulazione numerica per l'ottimizzazione non lineare standard e basata sul comportamento di scala, hanno dimostrato che poiché il numero di particelle è diventato una risorsa scarsa in un simulatore quantistico, l'overhead minimo richiesto per l'inizializzazione ha consentito l'uso di quasi tutte le particelle per l'effettiva simulazione quantistica.
Prestazioni in raffreddamento di una catena di tipo Ising di 5 + 1 ioni di tp =80ℏ/g =24s. La linea blu mostra la dinamica nel caso privo di decoerenza risultante in una fedeltà di f =0,92, mentre la linea arancione indica la dinamica sotto un meccanismo di decoerenza collettiva con rate κc =3.3Hz, risultando f =0,89. La linea tratteggiata indica l'energia dello stato fondamentale del sistema. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw9268
L'unica fonte di decoerenza nell'opera derivava dai capovolgimenti dissipativi della centrifuga del bagno, sebbene le architetture di simulazione quantistica possano anche contenere processi di decoerenza indesiderati nel sistema che esegue la simulazione. Di conseguenza, era fondamentale determinare le conseguenze di un'ulteriore decoerenza sulle prestazioni del protocollo di raffreddamento:i risultati erano generici e applicabili ad altri modelli a molti corpi. Il team ha attribuito la maggiore robustezza contro la decoerenza al protocollo di preparazione dello stato dissipativo che potrebbe auto-correggere gli eventi di decoerenza.
Il team ha quindi realizzato sperimentalmente il protocollo di inizializzazione proposto in un sistema di ioni intrappolati con tecnologia all'avanguardia. Hanno implementato la configurazione con 40 Circa + ioni simili a uno studio precedente. Hanno codificato le statistiche di spin nel qubit ottico e hanno manipolato la suddivisione dell'energia in modo coerente con i raggi laser radiali, dove lo ione più a destra fungeva da spin del bagno e il suo accoppiamento indotto dal laser allo ione vicino implementava l'accoppiamento sistema-bagno. Hanno impiegato sia Hamiltoniane di sistema che di bagno di sistema come H sistema e H sb nella configurazione e il meccanismo di decoerenza dominante nella piattaforma è derivato dalle fluttuazioni del campo magnetico globale.
In questo modo, Meghana Raghunandan e colleghi hanno dimostrato come l'aggiunta di una particella ausiliaria guidata in modo dissipativo potrebbe raffreddare in modo simpatico un simulatore quantistico in stati a bassa energia. L'approccio è efficiente anche quando si utilizza solo un singolo giro del bagno per mostrare una forte robustezza contro la decoerenza indesiderata che si verifica nello stimolatore quantistico. Raghunandan et al. intendono approfondire il comportamento di scaling variando in modo ottimale le costanti di accoppiamento del bagno nel tempo.
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