清華實現基本多體模型的離子阱量子模擬

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，是通向大規模離子阱量子計算與模擬的重要一步。

拉比-哈伯德模型由量子光學和凝聚態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，現已發展為凝聚態物理學中眾多領域研究的出發點。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中提出，但由于技術上的困難此前未在實驗上實現。

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，超越現有經典超級計算機所能達到的模擬能力。相關成果近日發表于《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。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的數值算法，1992年由美國物理學家Steven R. White提出。

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(Hilbert Space)維度，使得經典模擬難度增加。研究人員在小規模體系(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了拉比-哈伯德模型。

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

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，實現了經典計算機難以計算的問題規模，是通向未來大規模離子阱量子計算、量子模擬的重要一步。