凝聚态多体系统的量子模拟

Based on experimental progress of quantum computation and quantum information, people can already successfully manipulate tens and probably more qubits in such as superconducting qubits system, trapped ions system ect. It is then possible that many-body system in condensed matter physics can be simulated well in a large scale in such quantum information processing platforms, so that exotic quantum properties can be explored. On the other hand, the freedoms of the many-body system will increase exponentially on numbers of the particles in the many-body systems, the digital simulation of such quantum system in general is intractable, in particular for case that the involved entanglement is large. The artificial quantum systems with adjustable parameters may solve such problems effectively. However, there is no direct correspondence to transfer a many-body problem to a realizable scheme in different quantum simulation platforms. We need to find appropriate schemes and parameters which may be tunable for simulation in different quantum information systems, so that we need to bridge the simulation experiments and analytical and numerical calculations. In this proposal, we aim to find appropriate simulation schemes, on the one hand can demonstrate significant physical problems, and on the other hand, may be realizable experimentally in some physical systems so that to facilitate both experimentalists and theoretical condensed matter physicists. Besides various experimental systems, we also consider D-Wave quantum computer as one platform for simulation, we will try to explore the quantum properties of it and find some algorithms which it can surpass classical computer while can be performed in D-Wave quantum computer.

随着量子计算和量子信息实验的进展，在比如超导量子比特、离子阱等量子计算平台，人们已经可以控制十多个甚至更多量子比特，从而有可能对凝聚态量子多体问题进行较大规模的量子模拟，并探索其奇异量子性质，而多体系统的自由度一般随粒子数的增长成指数增长，导致其性质比如其基态形式等不能用经典计算机有效计算和模拟，在量子纠缠比较大时尤其如此，而人工可控量子比特系统有可能会很好的解决这样的问题，但是把凝聚态多体问题转化为通过调控人工多量子比特系统的参数和量子测量来实现量子模拟并不是一个直接的对应，需要选择合适的模拟方案和问题，从而实现在理论计算和模拟实验之间的桥梁作用。本项目以探索凝聚态多体系统的量子模拟问题为目标，集中于理论分析和数值验证量子模拟方案的可能性，以在具体实验系统可实现为目的。除了实验系统，本项目同时考虑以D-Wave量子计算机作为模拟平台，探索其量子性质并研究其完成超越经典计算机任务的能力。

项目以凝聚态多体系统的量子模拟为主要研究内容，基于量子计算系统来复现和仿真多体物理的奇异量子性质。在项目支持下，我们主要基于超导量子比特系统，就凝聚态多体物理中的量子行走动力学，多体局域化与热化，量子动力学相变，布洛赫震荡与瓦尼尔斯塔克局域化等现象开展了系列方案、数值及实验研究，取得创新性成果，这些成果推动了超导量子比特系统模拟多体物理的发展，受到国内外同行的正面评价，其中12超导量子比特的强关联量子行走，展示了激发在一维系统中扩散速度受限于李博罗宾逊极限，利用两粒子激发展示了反聚束效应，成果2019年发表于Science上。其它几个具有代表性的成果如下：(a) 在具有24个量子比特的超导处理器上实现了Bose-Hubbard梯子模型的动力学模拟，当系统初始只有一个光子时，其传递与一维链一样，满足线性传递和李博罗宾逊界限。但是，当系统有两个光子时，若该双光子在边界上，则会出现明显的边界局域化。(b) 使用5个超导量子比特构建了一维晶格，通过调节格点上比特的能级间隔呈线性排布，等效构造了恒定线性外场作用，通过将等效外场强度从小到大调节，微波光子从可以自由传输到局域在一端振荡，出现了明显的局域化现象，模拟了布洛赫震荡与瓦尼尔斯塔克局域化。(c) 利用超导器件中的量子比特，初始化并按照动量参数所对应的旋转轴来控制量子比特，得到其在布洛赫球面上动力学演化轨迹，形象化的展示了量子动力学相变的拓扑不变量,并得到罗施密特回声函数的动力学演化以及对应的斯格明子格点性质。..共发表标注基金支持文章40余篇，其中 1 篇Science, 3篇Phys. Rev. Lett., 1 篇npj Quantum Information, 1篇长篇综述Physics Reports，16篇Phys. Rev.系列刊物，中国科学等。