中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
Q03組供稿
第49期
2020年06月19日
超導量子計算實驗進展:動力學相變的超導量子模擬

  上世纪七十年代,物理学家费曼问一位年轻的同事:如果孤身去一个未知的险境,而只能携带一个日常工具,你的选择是什么?年轻同事的答案是:瑞士军刀,而费曼自己的选择是:计算器!骄傲如费曼,也许想到,他还是需要一个小小计算器,才能独力重构现代科学的大厦。 不过很快他就改变了主意,八十年代初,费曼指出,经典计算机并不是一个解决量子问题的有效工具,世界是量子的,一个简单的包含几十个粒子的量子系统,就超越了经典计算机的计算和存储能力,所以我们需要一台量子计算机,一个按照量子力学原理运行的计算机。援古证今,在中国古代用算盘的时期,人们无法想象计算机会有什么用,而现在我们也面临同样的问题,量子计算机我们需要吗?它能做什么?经过多年研究,人们已经提出了诸多量子算法,指出量子计算机可以解决或虚拟或现实、或过去或未来的各种经典问题。费曼设想的场景也许是随着量子技术的发展,人们将会碰到越来越多需要解决的量子工程问题,量子计算机无疑是解决量子问题的有效工具。

  利用一个可操控的量子系统去模拟复杂的量子现象或者解决经典计算机难以解决的量子问题是量子计算的重要应用。近年来,随着可集成量子比特数的增多,相干时间的延长,以及操控和读出精度的提升,超导量子计算成为量子模拟的重要平台之一。运用经典计算机准确模拟量子多体系统的非平衡性质是人们长期关注的课题,而运用超导量子计算平台模拟非平衡性质为研究这一类问题提供了新途径。 动力学相变这一概念是非平衡动力学领域一直以来的研究热点,第一类动力学相变关注非平衡序参量,第二类动力学相变则与时间域上洛施密特回波(Loshmidt echo)的非解析性以及统计物理里的李-杨零点存在紧密联系,最近的理论与数值研究表明这两类动力学相变可以纳入同一框架进行研究。

  近年来,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心与浙江大学在超导量子计算研究方面合作紧密。近期,物理所许凯副研究員、博士生孙政杭、郑东宁研究員、范桁研究員与浙江大学物理系博士生刘武新、李贺康博士、王浩华教授等,以及日本理化学研究所张煜然博士、野理(F. Nori)教授合作团队,利用16个超导量子比特实现了动力学相变的量子模拟,成果于近日在国际學術期刊《Science Advances》发表。

  在此工作中,合作團隊利用前期20量子比特薛定谔貓態工作中所研發的全聯通超導多量子比特器件(圖一),通過給超導量子比特施加一個同等振幅和相位的可控橫場驅動,實現了Lipkin-Meshkov-Glick模型。該模型具有理論可預測的動力學相變現象,器件的多聯通性質及驅動場調控可與模型及其參數相對應。實驗首先展示了第一類動力學相變(圖二)。在動力學鐵磁相中(此時橫場強度較弱),磁化率隨時間的演化較爲緩慢,磁化率的時間平均爲有限值,破壞了Z2全局對稱性;與之相反,在動力學順磁相中(此時橫場強度較強),磁化率的時間平均值爲0且具有Z2全局對稱性。之後,通過測量洛施密特回波的時間演化,實驗驗證了在動力學順磁相中存在洛施密特回波的零點,而在動力學鐵磁相中,短時間內的洛施密特回波爲有限值。上述實驗結果間接揭示了這兩類動力學相變之間的聯系(圖三)。最後,通過對多比特量子態自旋壓縮性質的測量,揭示了動力學相變臨界點和自旋壓縮態産生的直接關聯。通過測量不同橫場強度下自旋壓縮系數的時間演化,發現動力學相變臨界點附近的自旋壓縮最爲顯著,測得的壓縮系數體現了多體真糾纏的存在,這一結果揭示動力學相變在量子精密測量領域的潛在應用(圖四)。

  展望:量子模擬現在完成的任務還處于現有計算機的計算範圍之內,而實驗的主要目的也是展示量子計算平台可以按照人們預期的量子力學原理運行,而隨著量子比特數的增長,將來的量子模擬將可以完成經典計算機所不能預測和檢驗的任務,其作用將不可替代。

  此工作得到国家重点研发计划(No. 2017YFA0304300,No. 2016YFA0300600),自然科学基金(No. 11934018, No. 11725419,No. 11904393)以及中科院B类先导专项(No. XDB28000000)等基金的支持。

  本文的同等貢獻一作爲:許凱(中科院物理所)、孫政杭(中科院物理所)、劉武新(浙江大學),通訊作者爲:鄭東甯(中科院物理所)、範桁(中科院物理所)、王浩華(浙江大學)。

參考文獻:
Kai Xu#, Zheng-Hang Sun#, Wuxin Liu#, Yu-Ran Zhang, Hekang Li, Hang Dong, Wenhui Ren, Pengfei Zhang, Franco Nori, Dongning Zheng*, Heng Fan*, H. Wang*,
Probing dynamical phase transitions with a superconducting quantum simulator,
Science Advances 6, eaba4935 (2020).


圖一:左圖爲實驗所用制備20量子比特薛定谔貓態時的器件概念圖,這次實驗選取了其中16個量子比特,這16個量子比特間的相互作用大小如右圖所示。


圖二:A磁化率的時間演化。橫場強度爲2MHz時,系統處于動力學鐵磁相(DFP),而當橫場強度爲8MHz時,系統處于動力學順磁相(DPP)。B磁化率的時間平均與橫場強度的關聯。實驗結果與理論預測的動力學相變(DPT)點位置(由圖中虛線標示)吻合。


圖三:洛施密特回波在動力學鐵磁相和順磁相中的時間演化行爲。


圖四:時間域上自旋壓縮系數的最小值隨橫場強度的變化。