Enfriamiento simpático de un simulador cuántico. (A) Un sistema de N espines que realiza la simulación cuántica está interactuando con un baño de espín adicional que se impulsa disipativamente. (B) Esquema de la estructura del nivel de energía que muestra el transporte de energía resonante entre el sistema y el baño, después de lo cual el baño giratorio se bombea disipativamente a su estado fundamental. (C) Esquema de niveles para la implementación con iones 40Ca + atrapados. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw9268
La simulación de problemas de muchos cuerpos computacionalmente complejos en un simulador cuántico tiene un gran potencial para brindar información sobre aspectos físicos, sistemas químicos y biológicos. Los físicos habían implementado previamente la dinámica hamiltoniana, pero el problema de iniciar los simuladores cuánticos a un estado cuántico adecuado sigue sin resolverse. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Meghana Raghunandan y un equipo de investigación del instituto de física teórica, El instituto QUEST y el Instituto de óptica cuántica de Alemania demostraron un nuevo enfoque. Si bien el protocolo de inicialización desarrollado en el trabajo fue en gran medida independiente de la realización física del dispositivo de simulación, el equipo proporcionó un ejemplo de implementación de un simulador cuántico de iones atrapados.
La simulación cuántica es una tecnología emergente destinada a resolver importantes problemas abiertos relacionados con la superconductividad de alta temperatura. interactuando teorías de campo cuántico o localización de muchos cuerpos. Una serie de experimentos ya han demostrado la implementación exitosa de la dinámica hamiltoniana dentro de un simulador cuántico; sin embargo, el enfoque puede convertirse en un desafío a través de las transiciones de fase cuántica. En la nueva estrategia, Raghunandan y col. superó este problema basándose en los avances recientes en el uso de sistemas cuánticos disipativos para diseñar estados interesantes de muchos cuerpos.
Casi todos los hamiltonianos de interés de muchos cuerpos permanecen fuera de una clase previamente investigada y, por lo tanto, requieren la generalización del procedimiento de preparación del estado disipativo. Por lo tanto, el equipo de investigación presentó un paradigma previamente inexplorado para la inicialización disipativa de un simulador cuántico mediante el acoplamiento del sistema de muchos cuerpos que realiza la simulación cuántica a una partícula auxiliar impulsada disipativamente. Eligieron la división de energía dentro de la partícula auxiliar para volverse resonante con el espacio de excitación de muchos cuerpos del sistema de interés; descrito como la diferencia de la energía del estado fundamental y la energía del primer estado excitado. Durante tales condiciones de resonancia, la energía del simulador cuántico podría transferirse de manera eficiente a la partícula auxiliar para que la primera se enfríe con simpatía, es decir., partículas de un tipo, partículas enfriadas de otro tipo.
Posibles caminos a través de los cuales se puede enfriar una excitación al estado fundamental:Cada flecha negra corresponde a una diferencia de energía ∆ - γ ≤ Ei - Ej ≤ ∆ + γ. Cada paso de enfriamiento conduce a una reducción de la energía del sistema, eventualmente alcanzando el estado fundamental. Los niveles de energía se muestran para (a) el modelo de Ising (N =5, J / g =5, γ / g =3,5) y (b) el modelo de Heisenberg (N =5, γ / J =1,26). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw9268
Si bien el valor de la brecha de excitación de muchos cuerpos generalmente se desconoce antes de la simulación, Raghunandan y col. mostró que la brecha podría determinarse a partir de datos de simulación cuántica mediante una medición espectroscópica. El proceso de inicialización disipativa también proporcionó simultáneamente información importante sobre el sistema de muchos cuerpos y notaron que el enfriamiento por una sola partícula auxiliar era eficiente y robusto contra los procesos de ruido no deseados que ocurren en el simulador cuántico.
Específicamente, El equipo de investigación consideró diferentes modelos de sistemas de muchos cuerpos de espín ½ unidimensional (1-D) acoplados a un solo espín de baño auxiliar impulsado por disipación (ambiente de baja temperatura dominado por espín nuclear y paramagnético). La configuración podría generalizarse a sistemas de muchos cuerpos bosónicos o fermiónicos. La plataforma experimental impuso requisitos modestos, que funcionó eficazmente para simuladores cuánticos analógicos y digitales. La configuración no requirió el control de las partículas individuales del simulador cuántico.
Enfriamiento simpático del modelo de Ising de campo transversal en la fase ferromagnética (J / g =5, N =5, fx, y, z ={1, 1,1, 0,9}). La velocidad de la dinámica de enfriamiento y la energía final del sistema dependen del acoplamiento sistema-baño gsb para γ / g =1.9 (A) y la tasa de disipación γ para gsb / g =1.15 (B). La energía del estado fundamental está indicada por la línea discontinua. Los recuadros muestran que el estado fundamental se puede preparar con una fidelidad superior al 90%. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw9268
Como primer modelo definitivo, Raghunandan y col. consideró el modelo de Ising en un campo transversal para formar una plataforma simple fuera de la clase de hamiltonianos libres de frustración. Analizaron el rendimiento de refrigeración de la configuración mediante el seguimiento de la energía del sistema mediante simulaciones de Monte Carlo con función de onda. Se sabe que el campo de Ising transversal experimenta una transición de fase cuántica de una fase paramagnética a una ferromagnética. El equipo observó que la energía del sistema disminuía rápidamente y finalmente se acercaba a un valor cercano a la energía del estado fundamental calculada numéricamente.
El rendimiento de refrigeración dependía de la elección del acoplamiento sistema-baño (g sb ) y la tasa de disipación (γ). Si el acoplamiento del sistema-baño era demasiado pequeño, la dinámica de enfriamiento fue muy lenta, si fuera demasiado grande, luego, el sistema y el centrifugado del baño se enredaron fuertemente para reducir el rendimiento de enfriamiento. Como resultado, los dos parámetros debían optimizarse para lograr un mínimo de energía dentro del tiempo disponible. El protocolo de enfriamiento no se limitó a un modelo específico; para corroborar esto, A continuación, el equipo se centró en el caso especialmente desafiante de una cadena fundamental de Heisenberg, es decir, el arquetipo de modelos unidimensionales integrables cuánticos.
Enfriamiento simpático del modelo antiferromagnético de Heisenberg (N =4, gsb / J =0,2, γ / J =0,6, fx, y, z ={0,4, 2,3, 0,3}). (A) La eficiencia del procedimiento de enfriamiento depende de la elección de la división del centrifugado del baño Δ. (B) El enfriamiento óptimo que conduce a la energía del sistema más baja 〈Hsys〉 corresponde al ajuste Δ al espacio de muchos cuerpos ΔE (línea discontinua vertical). El mismo mínimo se observa al medir la energía Edis que se está disipando durante el proceso de enfriamiento. La energía del estado fundamental se indica mediante la línea discontinua horizontal. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw9268
El equipo investigó la cadena de Heisenberg antiferromagnética como un segundo modelo cuántico paradigmático (definitivo) de muchos cuerpos. El modelo, sin embargo, representó un desafío para el protocolo de enfriamiento. El estado fundamental en el punto crítico también estaba muy enredado, lo que les permitió probar la capacidad del protocolo para preparar estados cuánticos de muchos cuerpos entrelazados. El equipo registró el rendimiento de refrigeración en relación con la energía del sistema. Al igual que el modelo de Ising de campo transversal, la energía del sistema disminuyó rápidamente y alcanzó un valor final cercano a la energía del estado fundamental (E 0 ), donde el estado final también estaba muy enredado.
Dado que es difícil medir experimentalmente la energía del sistema en muchas arquitecturas de simulación cuántica sin realizar una tomografía en todos los operadores del sistema, En su lugar, el equipo midió el giro del baño y la energía disipada durante la dinámica de enfriamiento. Luego investigaron la eficiencia del protocolo de enfriamiento para comprender cómo se comportaban sus propiedades al aumentar el tamaño del sistema. Un protocolo suele ser eficiente cuando los recursos necesarios para crecer polinomialmente con el tamaño del sistema. Raghunandan y col. utilizó una simulación numérica para la optimización no lineal estándar y en función del comportamiento de escala, demostraron que, dado que el número de partículas se convirtió en un recurso escaso en un simulador cuántico, la sobrecarga mínima requerida para la inicialización permitió el uso de casi todas las partículas para la simulación cuántica real.
Rendimiento de enfriamiento de una cadena tipo Ising de 5 + 1 iones de tp =80ℏ / g =24s. La línea azul muestra la dinámica en el caso sin decoherencia que da como resultado una fidelidad de f =0,92, mientras que la línea naranja indica la dinámica bajo un mecanismo de decoherencia colectiva con tasa κc =3.3Hz, resultando en f =0.89. La línea punteada indica la energía del estado fundamental del sistema. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw9268
La única fuente de decoherencia en el trabajo provino de giros disipativos del baño giratorio, aunque las arquitecturas de simulación cuántica también pueden contener procesos de decoherencia no deseados en el sistema que realiza la simulación. Como resultado, era crucial determinar las consecuencias de la decoherencia adicional sobre el desempeño del protocolo de enfriamiento; los hallazgos eran genéricos y aplicables a otros modelos de muchos cuerpos. El equipo atribuyó la robustez mejorada contra la decoherencia al protocolo de preparación del estado disipativo que podría autocorregir los eventos de decoherencia.
Luego, el equipo realizó experimentalmente el protocolo de inicialización propuesto en un sistema de iones atrapados con tecnología de punta. Implementaron la configuración con 40 California + iones similares a un estudio anterior. Codificaron las estadísticas de espín en el qubit óptico y manipularon la energía dividida de manera coherente con rayos láser radiales, donde el ión más a la derecha sirvió como el espín del baño y su acoplamiento inducido por láser al acoplamiento del sistema-baño implementado por iones vecinos. Emplearon hamiltonianos de sistema y baño de sistema como H sys y H sb en la configuración y el mecanismo de decoherencia dominante en la plataforma surgió de las fluctuaciones del campo magnético global.
De este modo, Meghana Raghunandan y sus colegas demostraron cómo la adición de una partícula auxiliar impulsada disipativamente podría enfriar con simpatía un simulador cuántico en estados de baja energía. El enfoque es eficiente incluso cuando se usa un solo baño de rotación para exhibir una fuerte robustez contra la decoherencia no deseada que ocurre en el estimulador cuántico. Raghunandan y col. pretenden investigar más a fondo el comportamiento de las incrustaciones variando de manera óptima las constantes de acoplamiento del baño en el tiempo.
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