近日，清華大學段路明研究組在離子阱量子模擬領域取得重要進展，首次在實驗中實現(xiàn)拉比-哈伯德(Rabi-Hubbard)模型，超越目前經典超級計算機的模擬能力，是通向大規(guī)模離子阱量子計算與模擬的重要一步。

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拉比-哈伯德模型由量子光學和凝聚態(tài)物理學中的兩個基本模型——拉比模型和哈伯德模型結合而成。拉比模型可追溯到1936年，描述了光場與物質的相互作用；哈伯德模型起源于1963年，是描述晶格中粒子相互作用的最基本模型，現(xiàn)已發(fā)展為凝聚態(tài)物理學中眾多領域研究的出發(fā)點。而拉比-哈伯德模型包含了局域的拉比模型自旋-聲子相互作用以及格點之間的聲子-聲子相互作用，二者結合使得該模型表現(xiàn)出豐富的物理特性。該模型的實驗方案最初在腔量子電動力學系統(tǒng)中提出，但由于技術上的困難此前未在實驗上實現(xiàn)。

此次，清華大學交叉信息研究院段路明研究組首次在實驗中實現(xiàn)了前述模型，并驗證了該模型的量子相變和量子動力學過程。團隊通過對16個離子和16個簡諧振動模式的操控，將該量子模擬問題的有效空間維度達到了257，超越現(xiàn)有經典超級計算機所能達到的模擬能力。相關成果近日發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

得益于離子阱量子模擬平臺的高度可控性，研究人員實現(xiàn)了對拉比-哈伯德模型的可控量子模擬研究。團隊通過對激光的精密操控，實現(xiàn)了離子量子比特與局域聲子的相互作用，而離子阱系統(tǒng)中的庫倫相互作用形成了不同離子間的局域聲子交換項。

此外，研究人員還通過量子相變和量子動力學兩個方面驗證了拉比-哈伯德模型的成功實現(xiàn)。在量子相變方面，團隊通過絕熱演化實現(xiàn)了相干相和非相干相之間的轉化，在此過程中通過測量空間自旋關聯(lián)這一序參量，成功在不同規(guī)模的離子陣列中觀測到量子相變現(xiàn)象，且與DMRG方法近似計算的結果相符。DMRG即密度矩陣重整化群，是一種用來精準計算量子多體系統(tǒng)的數(shù)值算法，1992年由美國物理學家Steven R. White提出。

拉比-哈伯德模型的序參量演化和量子相變，圖片來自清華大學

在量子動力學方面，拉比-哈伯德模型包含了離子的自旋模式和空間振動模式的相互耦合，這顯著增加了該系統(tǒng)有效的希爾伯特空間(Hilbert Space)維度，使得經典模擬難度增加。研究人員在小規(guī)模體系(即2離子、4離子)下觀測到了符合經典模擬預期的量子動力學演化，與量子相變一同證明，團隊在實驗中成功實現(xiàn)了拉比-哈伯德模型。

而在大規(guī)模體系（即16離子）和強耦合參數(shù)區(qū)間，常用的經典近似方法將不再適用。清華團隊實驗系統(tǒng)的有效態(tài)空間維度高達257，相關動力學過程難以通過經典計算機進行模擬計算。

拉比-哈伯德模型的自旋動力學演化，圖片來自清華大學

前述研究展示了基于離子阱平臺的量子多體模擬，將空間振動自由度引入量子模擬中，實現(xiàn)了經典計算機難以計算的問題規(guī)模，是通向未來大規(guī)模離子阱量子計算、量子模擬的重要一步。

論文共同第一作者為清華大學交叉信息研究院博士生梅全鑫、李博文和助理教授吳宇愷，通訊作者為段路明教授，其他作者包括博士生王也、副研究員周子超、以及華翊量子公司的研究員蔡明磊、姚麟。項目獲得清華大學自主科研計劃、北京量子信息科學研究院、國家重點研發(fā)計劃、教育部量子信息前沿科學中心、清華大學水木學者項目、博士后國際交流計劃引進項目、清華大學科研啟動基金的資助與支持。