La simulation de problèmes à N corps complexes sur le plan informatique sur un simulateur quantique a un grand potentiel pour fournir des informations sur la physique, systèmes chimiques et biologiques. Les physiciens avaient déjà mis en œuvre la dynamique hamiltonienne, mais le problème de l'initiation des simulateurs quantiques à un état quantique approprié reste non résolu. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Meghana Raghunandan et une équipe de recherche de l'institut de physique théorique, L'institut QUEST et l'institut d'optique quantique en Allemagne ont démontré une nouvelle approche. Alors que le protocole d'initialisation développé dans le travail était largement indépendant de la réalisation physique du dispositif de simulation, l'équipe a fourni un exemple de mise en œuvre d'un simulateur quantique d'ions piégés.

La simulation quantique est une technologie émergente visant à résoudre d'importants problèmes ouverts relatifs à la supraconductivité à haute température, théories quantiques des champs en interaction ou localisation à plusieurs corps. Une série d'expériences a déjà démontré la mise en œuvre réussie de la dynamique hamiltonienne dans un simulateur quantique. l'approche peut devenir difficile à travers les transitions de phase quantiques. Dans la nouvelle stratégie, Raghunandan et al. a surmonté ce problème en s'appuyant sur les avancées récentes dans l'utilisation de systèmes quantiques dissipatifs pour concevoir des états à N corps intéressants.

Presque tous les hamiltoniens à plusieurs corps d'intérêt restent en dehors d'une classe précédemment étudiée et nécessitent donc la généralisation de la procédure de préparation de l'état dissipatif. L'équipe de recherche a donc présenté un paradigme jusqu'alors inexploré pour l'initialisation dissipative d'un simulateur quantique en couplant le système à plusieurs corps réalisant la simulation quantique à une particule auxiliaire entraînée de manière dissipative. Ils ont choisi la division d'énergie au sein de la particule auxiliaire pour entrer en résonance avec l'espace d'excitation à plusieurs corps du système d'intérêt ; décrit comme la différence entre l'énergie de l'état fondamental et l'énergie du premier état excité. Dans de telles conditions de résonance, l'énergie du simulateur quantique pourrait être transférée efficacement à la particule auxiliaire pour que la première soit refroidie sympathiquement, c'est à dire., particules d'un même type, particules refroidies d'un autre type.

Alors que la valeur de l'écart d'excitation à plusieurs corps est généralement inconnue avant la simulation, Raghunandan et al. a montré que l'écart pouvait être déterminé à partir de données de simulation quantique via une mesure spectroscopique. Le processus d'initialisation dissipative a également fourni simultanément des informations importantes sur le système à plusieurs corps et ils ont noté que le refroidissement par une seule particule auxiliaire était efficace et robuste contre les processus de bruit indésirables se produisant dans le simulateur quantique.

Spécifiquement, l'équipe de recherche a examiné différents modèles de spins unidimensionnels (1-D) ½ systèmes à plusieurs corps couplés à un seul spin de bain auxiliaire entraîné de manière dissipative (environnement à basse température dominé par le spin nucléaire et paramagnétique). La configuration pourrait être généralisée aux systèmes bosoniques ou fermioniques à N corps. La plate-forme expérimentale imposait des exigences modestes, qui a fonctionné efficacement pour les simulateurs quantiques analogiques et numériques. La configuration ne nécessitait pas de contrôle sur les particules individuelles du simulateur quantique.

Comme premier modèle définitif, Raghunandan et al. ont considéré le modèle d'Ising dans un champ transversal pour former une simple plate-forme en dehors de la classe des hamiltoniens sans frustration. Ils ont analysé les performances de refroidissement de l'installation en suivant l'énergie du système à l'aide de simulations Monte Carlo à fonction d'onde. Le champ d'Ising transverse est généralement connu pour subir une transition de phase quantique d'une phase paramagnétique à une phase ferromagnétique. L'équipe a observé que l'énergie du système décroît rapidement et s'approche finalement d'une valeur proche de l'énergie de l'état fondamental calculée numériquement.

Les performances de refroidissement dépendaient du choix du couplage système-bain (g qn ) et le taux de dissipation (γ). Si le couplage système-bain était trop petit, la dynamique de refroidissement était très lente, s'il était trop grand, alors le système et l'essorage du bain se sont fortement enchevêtrés pour réduire les performances de refroidissement. Par conséquent, les deux paramètres devaient être optimisés conduisant à un minimum d'énergie dans le temps disponible. Le protocole de refroidissement n'était pas limité à un modèle spécifique - pour le prouver, l'équipe s'est ensuite penchée sur le cas particulièrement difficile d'une chaîne Heisenberg critique, c'est-à-dire l'archétype des modèles unidimensionnels intégrables quantiques.

L'équipe a étudié la chaîne antiferromagnétique de Heisenberg en tant que deuxième modèle quantique paradigmatique (définitif) à N corps. Le modèle, cependant, représentait un défi pour le protocole de refroidissement. L'état fondamental au point critique était également très intriqué, ce qui leur a permis de tester la capacité du protocole à préparer des états quantiques à N corps intriqués. L'équipe a enregistré les performances de refroidissement par rapport à l'énergie du système. Tout comme le modèle d'Ising à champ transverse, l'énergie du système a rapidement diminué et a atteint une valeur finale proche de l'énergie de l'état fondamental (E 0 ), où l'état final était également très intriqué.

Comme il est difficile de mesurer expérimentalement l'énergie du système sur de nombreuses architectures de simulation quantique sans effectuer de tomographie sur tous les opérateurs du système, l'équipe a plutôt mesuré l'essorage du bain et l'énergie dissipée pendant la dynamique de refroidissement. Ils ont ensuite étudié l'efficacité du protocole de refroidissement pour comprendre comment ses propriétés se comportaient avec l'augmentation de la taille du système. Un protocole est généralement efficace lorsque les ressources nécessaires pour croître de manière polynomiale avec la taille du système. Raghunandan et al. utilisé une simulation numérique pour l'optimisation non linéaire standard et basée sur le comportement de mise à l'échelle, ils ont montré que puisque le nombre de particules est devenu une ressource rare dans un simulateur quantique, la surcharge minimale requise pour l'initialisation a permis l'utilisation de presque toutes les particules pour la simulation quantique réelle.

La seule source de décohérence dans l'œuvre provenait des retournements dissipatifs de l'essorage du bain, bien que les architectures de simulation quantique puissent également contenir des processus de décohérence indésirables dans le système effectuant la simulation. Par conséquent, il était crucial de déterminer les conséquences d'une décohérence supplémentaire sur les performances du protocole de refroidissement - les résultats étaient génériques et applicables à d'autres modèles à N corps. L'équipe a attribué la robustesse améliorée contre la décohérence au protocole de préparation de l'état dissipatif qui pourrait auto-corriger les événements de décohérence.

L'équipe a ensuite réalisé expérimentalement le protocole d'initialisation proposé dans un système à ions piégés avec une technologie de pointe. Ils ont implémenté la configuration avec ⁴⁰ Californie ⁺ similaires à une étude précédente. Ils ont codé les statistiques de spin dans le qubit optique et manipulé la division d'énergie de manière cohérente avec les faisceaux laser radiaux, où l'ion le plus à droite servait de spin du bain et son couplage induit par laser à l'ion voisin a mis en œuvre un couplage système-bain. Ils ont employé à la fois système et système-bath Hamiltonians comme H système et H qn dans la configuration et le mécanisme de décohérence dominant dans la plate-forme découle des fluctuations globales du champ magnétique.

De cette façon, Meghana Raghunandan et ses collègues ont démontré comment l'ajout d'une particule auxiliaire entraînée par dissipation pouvait refroidir de manière sympathique un simulateur quantique dans des états de basse énergie. L'approche est efficace même en n'utilisant qu'un seul essorage de bain pour présenter une forte robustesse contre la décohérence indésirable se produisant dans le stimulateur quantique. Raghunandan et al. ont l'intention d'étudier plus avant le comportement de mise à l'échelle en faisant varier de manière optimale les constantes de couplage du bain dans le temps.

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