Nat. Phys.：中国团队实现量子模拟新突破！

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量子模拟提供了以可控方式研究多体物理学基本方面的平台，并探索其对量子技术的影响。然而，希尔伯特空间的维度随着相互作用粒子的数量呈指数增长，这意味着对强相关问题的研究（如量子临界和多体局域化），在现实空间中的少数体探测往往是不够的。

由浙江大学Yunyan Yao、Liang Xiang、应磊、郭秋江等，兰州大学和北京计算科学研究中心的科学家们组成的联合团队在超导量子处理器上解决了此类问题。

7月10日，研究成果以“Observation of many-body Fock space dynamics in two dimensions”为题，发表在《自然·物理学》上。

孤立的量子系统中的强相关粒子在适当的扰动下引发了丰富的物理现象，典型的有多体版的量子热化、局域化、疤痕等。它们在各种平台上的实验实现引起了基础物理到量子信息应用的极大兴趣——特别是作为多体量子模拟中潜在量子优势的研究。
尽管在理解量子热化等方面已经付出了巨大的实验努力，但对于进一步的开放性问题，如多体局域化（MBL）阶段在更高二元中的稳定性和MBL转变的关键特性，仍然没有达成强烈的共识。
到目前为止，关于这些主题的现有实验探索在很大程度上都是在实空间的传统框架下进行的，重点是少数体观测指标的动力学特征，如不平衡和相关，而不是纠缠熵（EE）——后者在理论研究中，因为它独特地描述了在量子态中编码的多体特性；另一方面，它对实验来说极具挑战性的。因此，科学家们一直在寻找新的实验来解决这些难以捉摸的问题。
从另一个角度看，多体问题可以被重塑为一个虚拟的“粒子”在复杂的Fock空间网络上活动，具有广泛的局部连接，其中的每个站点代表一个多体状态。 
这一想法源于将复杂无序的量子点系统映射为与多体态相关的Fock空间中的安德森定位问题，其中粒子行为由强相关无序下的Fock空间中的定位来表示。这个新的角度导致了一系列新的见解：如MBL特征态的多分形扩展、出现的希尔伯特空间碎片，以及非正交扩展相。
然而，沿着这条路线的实验调查仍然很少，因为Fock空间的传统分析主要依赖于实验中逆参与率 (Inverse Participation Ratio, IPR)的量化。

为了阐明这些长期存在的挑战，科学家们实验证明了在Fock空间探测多体动力学的新范式，描述了一个能够探索这些有争议的问题的通用和规模协议。
基本的实验思想是，一个在实空间中的多体系统可以等效地在Fock空间中表示，其中每个Fock空间站点对应于实空间中的光子激发构筑(photon excitation configuration) s，其连接性表示所有允许的跃迁(hopping)。

量子处理器和Fock空间的多体动力学示意图。实验中应用了36量子比特的超导量子处理器。
因此，一个远离平衡的初始Fock状态的多体动力学（s0）可以被视为一个沿Fock空间网络的、径向移动的波包。
在这种Fock空间方法中，科学家通过实验描述了典型的多体动力学，并进一步探索二维（2D）超导量子比特阵列上的MBL转变。
通过跟踪波包如何在Fock空间网络上传播，实验结果从Fock空间的角度提供了一个直观的热化及其分解（局域化和疤痕）的物理图景。  
更重要的是，随着无序度的增加，波包宽度的一些性质使科学家们能够定量地确定一个最小尺寸的二维非遍历转移的三态相图——这是传统的实空间实验观察难以捕捉到的。

Fock空间中的多体动力学。图示为Fock空间中的实验动态径向概率分布A(d, t)，描述了热化（a）、局域化（b）和瘢痕化（c）的动力学特征。插图是实验波包（点）和数值波包（曲线）的对比。

在2D系统中，非遍历转移的显著特征。

此次实验中，科学家们展示了一种从全新角度（Fock空间）研究多体物理的新方案。  
通过将非平衡多体动力学映射到在Fock空间网络传播的波包上，实验团队提供了热化及其在Fock空间的清晰视图。在Fock空间，可以动态地观察到MBL的关键特征，并通过短时振荡确定多体瘢痕。此外，这一协议还能够在实验中捕捉特定的量子临界行为。
这对传统的实空间观测极具挑战性。
论文中，实验团队表示，“我们的方案提供了一种简单而有效的方法来定量揭示MBL转变的性质，甚至是高维系统的临界行为。值得强调的是，我们的原型是可扩展的、与平台无关的，并且对读出错误具有稳健性，使其成为解决未来大型设备中争议问题的通用方案。”
虽然我们的实验已经为理解 Fock 空间中的 MBL 提供了重要的见解和影响，但这项工作所涉及的未决问题（例如， MBL 在更高二维层面中的稳定性等还需要进一步研究）。  
展望未来，团队表示：“基于我们的协议开发一种有限尺寸缩放方法将是非常有吸引力的：在更大的量子设备上的应用，将有更大的机会解决当前的难题。”
参考链接：[1]https://mp.weixin.qq.com/s/I6TFvwvFZgF9tFwQp4-Bbw[2]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02133-0[3]https://doi.org/10.1038/s41567-023-02133-0

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