清华大学实现超越经典超算模拟能力的大规模量子模拟

来源：清华大学交叉信息研究院

近日，交叉信息院段路明研究组在离子阱量子模拟领域取得重要进展，在实验中借助离子量子比特首次实现了大规模杰恩斯-卡明斯-哈伯德（Jaynes-Cummings-Hubbard）模型的量子模拟，以研究非马尔可夫量子多体动力学过程。通过将32个离子和32个简谐振动模式制备在32个自旋-玻色子总激发的初态，该量子模拟问题的有效空间维度达到了2的77次方（千万亿亿量级），远远超越了现有经典超级计算机的直接模拟能力。

该成果论文《Observation of Non-Markovian Spin Dynamics in a Jaynes-Cummings-Hubbard Model Using a Trapped-Ion Quantum Simulator》近日发表于国际学术期刊《Physical Review Letters》。

图1：杰恩斯-卡明斯-哈伯德模型在离子阱量子模拟器中的实现

杰恩斯-卡明斯-哈伯德模型由量子光学和凝聚态物理中的两个基本模型结合而成，即描述原子与光场相互作用的杰恩斯-卡明斯模型以及描述晶格中粒子相互作用的哈伯德模型。该模型包含了局域的自旋-声子相互作用以及长程的声子-声子相互作用，同时具备总激发数守恒的特点，这使得它表现出丰富的物理特性。

此前，杰恩斯-卡明斯-哈伯德模型已在3离子的小规模系统中得以实现，但更大规模的实现仍面临众多实验技术困难。

图2：不同参数下的马尔可夫与非马尔可夫动力学过程

本实验中，研究人员通过精密操控激光以及离子间的库仑相互作用形成的声子交换项，实现了杰恩斯-卡明斯-哈伯德模型的可控量子模拟研究。由于该模型具有总激发数守恒的特点，可通过制备不同的总激发数来控制系统的有效空间维度。

研究人员在小规模系统（2、4、8离子）和低总激发数的大规模系统（20、32离子）中观察到了符合理论预期的自旋动力学演化，从而验证了模型的成功实现。通过调节模型中的参数，研究人员实现了系统演化从马尔可夫动力学过程到非马尔可夫动力学过程的变化，并进一步通过调节离子数和总激发数在大规模系统观测到了非马尔可夫动力学特征。在32离子和32个总激发数的情况下，实验系统的有效态空间维度高达2的77次方（1.5千万亿亿），远超经典超算的直接模拟能力。该实验展示了利用离子量子模拟器研究量子多体系统及开放量子系统的优势。

该论文的共同第一作者为清华大学交叉信息院2018级博士生李博文、2017级博士生梅全鑫和助理教授吴宇恺，通讯作者为段路明教授。其他作者包括交叉信息研究院2019级博士生王也、副研究员周子超、以及华翊量子公司的研究员蔡明磊、姚麟。该项目得到了清华大学自主科研计划、教育部、清华大学科研启动基金的资助与支持。

论文链接：

Phys. Rev. Lett. 129, 140501 (2022) - Observation of Non-Markovian Spin Dynamics in a Jaynes-Cummings-Hubbard Model Using a Trapped-Ion Quantum Simulator (aps.org)

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