作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 量子模拟器的交感冷却
执行量子模拟的一个N自旋系统与一个附加的被耗散驱动的熔池自旋相互作用
(二)能级结构示意图，显示系统和熔池之间的共振能量传输，之后熔池自旋被耗散地泵入其基态
用捕获的40Ca+离子实现的能级方案
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaw9268 在量子模拟器上模拟计算复杂的多体问题，对于深入了解物理、化学和生物系统具有巨大的潜力
物理学家先前已经实现了哈密顿动力学，但是将量子模拟器初始化到一个合适的量子状态的问题仍然没有解决
在《科学进展》的一份新报告中，Meghana Raghunandan和德国理论物理研究所、QUEST研究所和量子光学研究所的一个研究小组展示了一种新方法
虽然工作中开发的初始化协议在很大程度上独立于模拟设备的物理实现，但该团队提供了一个实现俘获离子量子模拟器的示例
量子模拟是一门新兴技术，旨在解决与高温超导、相互作用量子场论或多体局域化相关的重要开放问题
一系列实验已经证明了哈密顿动力学在量子模拟器中的成功实现——然而，这种方法在量子相变中可能变得具有挑战性
在新战略中，拉古南丹等人
利用耗散量子系统的最新进展来设计有趣的多体态，从而克服了这个问题
几乎所有感兴趣的多体哈密顿量都不在以前研究的范畴之内，因此需要耗散态准备过程的推广
因此，研究小组提出了一个以前未探索过的量子模拟器耗散初始化的范例，将进行量子模拟的多体系统耦合到耗散驱动的辅助粒子上
他们选择辅助粒子内的能量分裂与感兴趣系统的多体激发间隙共振；描述为基态能量和第一激发态能量的差
在这种共振条件下，量子模拟器的能量可以有效地转移到辅助粒子上，使前者得到共振冷却
e
一种类型的粒子，另一种类型的冷却粒子
激励可以冷却到基态的可能路径:每个黑色箭头对应一个能量差∑γ≤Ei Ej≤∞+γ
每个冷却步骤都会导致系统能量的减少，最终达到基态
能级表示为(a)伊辛模型(N = 5，J/g = 5，γ/g = 3
海森堡模型(N = 5，γ/J = 1
26)
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaw9268 虽然多体激发间隙的值在模拟之前通常是未知的
表明可以通过光谱测量从量子模拟数据中确定间隙
耗散的初始化过程同时也提供了关于多体系统的重要信息，他们注意到单个辅助粒子的冷却对于量子模拟器中出现的不需要的噪声过程是有效和鲁棒的
具体来说，研究小组考虑了不同模型的一维(一维)自旋多体系统，这些系统耦合到单个耗散驱动的辅助熔池自旋(由核自旋和顺磁自旋主导的低温环境)
该装置可以推广到玻色子或费米子多体系统
实验平台提出了适度的要求，这对模拟和数字量子模拟器都有效
该装置不需要控制量子模拟器中的单个粒子
铁磁相中横场伊辛模型的交感冷却(J/g = 5，N = 5，fx，y，z = {1，1
1,0
9})
冷却动力学的速度和系统的最终能量取决于γ/g = 1时的系统-浴耦合gsb
9 (A)，gsb/g = 1时的耗散率γ
15(乙)
基态能量由虚线表示
实验表明，基态可以以90%以上的保真度制备
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aaw9268 作为第一个确定的模型
考虑横向场中的伊辛模型，以形成无挫折哈密顿量类之外的简单平台
他们通过使用波函数蒙特卡罗模拟跟踪系统能量来分析装置的冷却性能
众所周知，横向伊辛场经历了从顺磁性相到铁磁相的量子相变
研究小组观察到系统的能量迅速减少，最终接近数值计算的基态能量
冷却性能取决于系统-槽耦合(gsb)和耗散率(γ)的选择
如果系统-浴槽耦合太小，冷却动力学非常慢，如果太大，则系统和浴槽旋转变得强烈纠缠以降低冷却性能
因此，必须对这两个参数进行优化，以便在可用时间内将能量降至最低
冷却协议并不局限于一个特定的模型——为了证实这一点，研究小组接下来转向了一个特别具有挑战性的关键海森堡链案例，我
e
量子可积一维模型的原型
反铁磁海森堡模型的交感冷却(N = 4，gsb/J = 0
2，γ/J = 0
6，fx，y，z = {0
4,2
3,0
3})
冷却程序的效率取决于熔池旋转分裂δ的选择
导致最低系统能量的最佳冷却对应于将δ设置为多体间隙δE(垂直虚线)
当测量冷却过程中耗散的能量Edis时，观察到相同的最小值
基态能量由水平虚线表示
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aaw9268 该团队研究了反铁磁海森堡链作为第二个聚合(确定的)量子多体模型
然而，该模型对冷却方案提出了挑战
临界点的基态也是高度纠缠的——这使得他们可以测试协议制备纠缠量子多体态的能力
该团队记录了相对于系统能量的冷却性能
很像横场伊辛模型，系统能量迅速减少，并达到接近基态能量(E0)的最终值，其中最终状态也是高度纠缠的
由于在许多量子模拟体系结构中，如果不对系统中的所有操作者进行断层扫描，很难通过实验测量系统能量，因此该团队改为测量冷却动力学过程中的熔池旋转和耗散能量
然后，他们研究了冷却协议的效率，以了解其属性如何随着系统大小的增加而变化
当所需资源随系统大小多项式增长时，协议通常是有效的
Raghunandan等人
使用标准非线性优化的数值模拟，并基于缩放行为，他们表明，由于粒子数量成为量子模拟器中的稀缺资源，初始化所需的最小开销允许使用几乎所有粒子进行实际的量子模拟
tp = 80ℏ/g = 24s的5 + 1离子伊辛链的冷却性能
蓝线表示无消相干情况下的动力学，导致f = 0的保真度
92，而橙色线表示速率κc = 3的集体退相干机制下的动力学
3Hz，结果f = 0
八十九
虚线表示系统的基态能量
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aaw9268 这项工作中退相干的唯一来源源于熔池自旋的耗散翻转，尽管量子模拟体系结构也可能在执行模拟的系统中包含不需要的退相干过程
因此，确定附加退相干对冷却协议性能的影响至关重要——这些发现是通用的，适用于其他多体模型
研究小组将抗退相干能力的提高归功于耗散态准备协议，该协议可以自我纠正退相干事件
该团队随后通过实验在一个采用最新技术的俘获离子系统中实现了所提出的初始化协议
他们用40Ca+离子实现了类似于之前研究的装置
他们将自旋状态编码在光学量子位中，并利用径向激光束相干地操纵能量分裂——其中最右边的离子充当浴自旋，它与相邻离子的激光诱导耦合实现系统-浴耦合
他们在装置中使用系统和系统浴哈密顿量作为Hsys和Hsb，平台中的主要退相干机制来自于全球磁场波动
通过这种方式，Meghana Raghunandan和他的同事展示了增加一个耗散驱动的辅助粒子是如何将量子模拟器冷却到低能态的
这种方法是有效的，甚至当仅使用单浴自旋来表现出对量子刺激器中发生的不希望的退相干的强鲁棒性时
Raghunandan等人
打算通过最佳地及时改变浴的耦合常数来进一步研究结垢行为
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