近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領域取得重要進展。

前述團隊首次在實驗中借助離子阱平臺實現了拉比-哈伯德(Rabi-Hubbard)模型，達到了約14億億的有效希爾伯特空間(Hilbert Space)維度，并首次在離子阱系統實現超越現有經典超級計算機運算能力的量子模擬，成為通向未來大規模離子阱量子計算、量子模擬的重要一步。

拉比模型與哈伯德模型結合

“拉比-哈伯德模型結合了物理學中兩個重要模型：拉比模型和哈伯德模型。”清華大學交叉信息研究院段路明對澎湃新聞(www.kxwhcb.com)記者介紹，拉比模型由諾貝爾獎得主Isidor I Rabi在1936年提出，描述了原子與光的基本相互作用；哈伯德模型則起源于1963年，是凝聚態物理中的一個基本模型，解釋了具有強關聯的材料的基本性質。

拉比-哈伯德模型結合了局域的拉比相互作用和長程的哈伯德相互作用，展現出豐富的物理性質。段路明表示，“由于拉比-哈伯德模型同時涉及到原子（自旋）和光場（玻色子）的多體相互作用，這一模型的實驗實現需要同時、精確地控制多體系統的多種自由度，構成了主要的技術挑戰。”

段路明現任清華大學姚期智講座教授、清華大學基礎科學講席教授，從事研究量子計算機和量子網絡方向。他曾獲中科院院長特別獎、饒毓泰基礎光學獎、中科院百人計劃、美國斯隆研究獎等，2009年當選美國物理學會會士。2018年辭去美國密歇根大學費米講席教授職位后，段路明選擇回國，全職在清華大學交叉信息研究院工作。

基于離子阱的拉比-哈伯德模型實現

拉比-哈伯德模型的實驗方案最初在腔量子電動力學系統中提出，但基于前述技術挑戰未曾在實驗上實現。

此次，清華大學段路明研究組“另辟蹊徑”，采用離子阱量子模擬平臺，以實現拉比-哈伯德模型。

離子阱的發明與量子調控分別獲得1989年和2012年的諾貝爾物理學獎。近年來，基于離子阱的量子計算、量子模擬研究，取得了一系列理論和實驗進展。“離子阱系統具有量子相干時間長、量子操作保真度高、量子比特連通性好、量子比特數易于擴展等優點，是當前量子模擬和量子計算研究中，最為領先的物理系統之一。”

“由于離子阱系統的上述優勢，我們提出并首次在實驗上實現了離子阱平臺對拉比-哈伯德模型的量子模擬。”段路明向澎湃新聞(www.kxwhcb.com)記者說道，他帶領團隊通過對激光的精密操控，實現了離子量子比特與局域聲子的相互作用，而離子阱系統中的長程庫倫相互作用（即兩個點電荷間的作用力）形成了不同離子間的局域聲子交換項。

實驗示意圖，圖片來自論文

前述實驗中主要涉及到激光、高真空和電子學控制設備。其中，高真空系統用于隔絕環境噪聲對離子阱系統的干擾，電子學系統產生精密的實驗序列、控制激光系統對離子的狀態進行初始化、量子調控和測量。

超越經典超算能力的量子模擬

段路明研究組不僅首次在實驗中實現了拉比-哈伯德模型，并驗證了該模型的量子相變和量子動力學過程，將該量子模擬問題的有效空間維度達到了2的57次方，超越現有經典超級計算機所能達到的模擬能力。相關成果發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

在量子相變方面，團隊通過絕熱演化實現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這一序參量，成功在不同規模的離子陣列中觀測到量子相變現象，且與密度矩陣重整化群(DMRG)方法近似計算的結果相符。DMRG是一種用來精準計算量子多體系統的數值算法，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有效的希爾伯特空間維度，使經典模擬的困難程度增加。團隊在小規模體系(即2離子、4離子)下，觀測到符合經典模擬預期的量子動力學演化，與量子相變共同證明了團隊在實驗中首次實現拉比-哈伯德模型。

在大規模體系（即16離子）和強耦合參數區間，常用的經典近似方法不再適用。前述實驗系統的有效希爾伯特空間維度高達2的57次方，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

“對于量子系統而言，有效希爾伯特空間維度表征了系統的復雜度，或者說利用經典計算機模擬該系統的困難程度，一般而言它隨著量子比特數的增加而指數增長。”段路明表示該實驗實現了2的57次方、約14億億的有效希爾伯特空間維度，首次在離子阱系統實現了超越現有經典超級計算機運算能力的量子模擬。

前述實驗成果擴展了離子阱量子模擬平臺用于研究量子多體問題的手段，對于物理學的基礎研究具有重要意義。“這些量子多體問題同樣可用于描述生物大分子、新型材料等的性質，因此，未來的大規模量子模擬平臺可以應用于生物醫藥、新材料研發、新能源等重要領域。”段路明說道。