超導量子計算實驗進展:動力學相變的超導量子模擬

2020-12-01 騰訊網

上世紀七十年代，物理學家費曼問一位年輕的同事：如果孤身去一個未知的險境，而只能攜帶一個日常工具，你的選擇是什麼？年輕同事的答案是：瑞士軍刀，而費曼自己的選擇是：計算器！驕傲如費曼，也許想到，他還是需要一個小小計算器，才能獨力重構現代科學的大廈。不過很快他就改變了主意，八十年代初，費曼指出，經典計算機並不是一個解決量子問題的有效工具，世界是量子的，一個簡單的包含幾十個粒子的量子系統，就超越了經典計算機的計算和存儲能力，所以我們需要一臺量子計算機，一個按照量子力學原理運行的計算機。援古證今，在中國古代用算盤的時期，人們無法想像計算機會有什麼用，而現在我們也面臨同樣的問題，量子計算機我們需要嗎？它能做什麼？經過多年研究，人們已經提出了諸多量子算法，指出量子計算機可以解決或虛擬或現實、或過去或未來的各種經典問題。費曼設想的場景也許是隨著量子技術的發展，人們將會碰到越來越多需要解決的量子工程問題，量子計算機無疑是解決量子問題的有效工具。

利用一個可操控的量子系統去模擬複雜的量子現象或者解決經典計算機難以解決的量子問題是量子計算的重要應用。近年來，隨著可集成量子比特數的增多，相干時間的延長，以及操控和讀出精度的提升，超導量子計算成為量子模擬的重要平臺之一。運用經典計算機準確模擬量子多體系統的非平衡性質是人們長期關注的課題，而運用超導量子計算平臺模擬非平衡性質為研究這一類問題提供了新途徑。動力學相變這一概念是非平衡動力學領域一直以來的研究熱點，第一類動力學相變關注非平衡序參量，第二類動力學相變則與時間域上洛施密特回波（Loshmidt echo）的非解析性以及統計物理裡的李-楊零點存在緊密聯繫，最近的理論與數值研究表明這兩類動力學相變可以納入同一框架進行研究。

近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心與浙江大學在超導量子計算研究方面合作緊密。近期，物理所許凱副研究員、博士生孫政杭、鄭東寧研究員、範桁研究員與浙江大學物理系博士生劉武新、李賀康博士、王浩華教授等，以及日本理化學研究所張煜然博士、野理（F. Nori）教授合作團隊，利用16個超導量子比特實現了動力學相變的量子模擬，成果於近日在國際學術期刊《Science Advances》發表。

在此工作中，合作團隊利用前期20量子比特薛丁格貓態工作中所研發的全聯通超導多量子比特器件（圖一），通過給超導量子比特施加一個同等振幅和相位的可控橫場驅動，實現了Lipkin-Meshkov-Glick模型。

圖一：左圖為實驗所用製備20量子比特薛丁格貓態時的器件概念圖，這次實驗選取了其中16個量子比特，這16個量子比特間的相互作用大小如右圖所示。

該模型具有理論可預測的動力學相變現象，器件的多聯通性質及驅動場調控可與模型及其參數相對應。實驗首先展示了第一類動力學相變（圖二）。

圖二：A磁化率的時間演化。橫場強度為2MHz時，系統處於動力學鐵磁相（DFP），而當橫場強度為8MHz時，系統處於動力學順磁相（DPP）。B磁化率的時間平均與橫場強度的關聯。實驗結果與理論預測的動力學相變（DPT）點位置（由圖中虛線標示）吻合。

在動力學鐵磁相中（此時橫場強度較弱），磁化率隨時間的演化較為緩慢，磁化率的時間平均為有限值，破壞了Z2全局對稱性；與之相反，在動力學順磁相中（此時橫場強度較強），磁化率的時間平均值為0且具有Z2全局對稱性。之後，通過測量洛施密特回波的時間演化，實驗驗證了在動力學順磁相中存在洛施密特回波的零點，而在動力學鐵磁相中，短時間內的洛施密特回波為有限值。上述實驗結果間接揭示了這兩類動力學相變之間的聯繫（圖三）。

圖三：洛施密特回波在動力學鐵磁相和順磁相中的時間演化行為。

最後，通過對多比特量子態自旋壓縮性質的測量，揭示了動力學相變臨界點和自旋壓縮態產生的直接關聯。通過測量不同橫場強度下自旋壓縮係數的時間演化，發現動力學相變臨界點附近的自旋壓縮最為顯著，測得的壓縮係數體現了多體真糾纏的存在，這一結果揭示動力學相變在量子精密測量領域的潛在應用（圖四）。

圖四：時間域上自旋壓縮係數的最小值隨橫場強度的變化。

展望：量子模擬現在完成的任務還處於現有計算機的計算範圍之內，而實驗的主要目的也是展示量子計算平臺可以按照人們預期的量子力學原理運行，而隨著量子比特數的增長，將來的量子模擬將可以完成經典計算機所不能預測和檢驗的任務，其作用將不可替代。

本文的同等貢獻一作為：許凱（中科院物理所）、孫政杭（中科院物理所）、劉武新（浙江大學），通訊作者為：鄭東寧（中科院物理所）、範桁（中科院物理所）、王浩華（浙江大學）。

編輯：GUOmazing

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