Simular problemas computacionalmente complexos de muitos corpos em um simulador quântico tem um grande potencial para fornecer percepções físicas, sistemas químicos e biológicos. Os físicos já haviam implementado a dinâmica hamiltoniana, mas o problema de iniciar simuladores quânticos em um estado quântico adequado permanece sem solução. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Meghana Raghunandan e uma equipe de pesquisa do instituto de física teórica, O instituto QUEST e o Instituto de óptica quântica na Alemanha demonstraram uma nova abordagem. Embora o protocolo de inicialização desenvolvido no trabalho fosse amplamente independente da realização física do dispositivo de simulação, a equipe forneceu um exemplo de implementação de um simulador quântico de íon aprisionado.

A simulação quântica é uma tecnologia emergente destinada a resolver problemas abertos importantes relativos à supercondutividade de alta temperatura, teorias quânticas de campo em interação ou localização de muitos corpos. Uma série de experimentos já demonstrou a implementação bem-sucedida da dinâmica hamiltoniana em um simulador quântico - no entanto, a abordagem pode se tornar um desafio nas transições de fase quântica. Na nova estratégia, Raghunandan et al. superou esse problema com base nos avanços recentes no uso de sistemas quânticos dissipativos para criar estados interessantes de muitos corpos.

Quase todos os hamiltonianos de muitos corpos de interesse permanecem fora de uma classe previamente investigada e, portanto, requerem generalização do procedimento de preparação do estado dissipativo. A equipe de pesquisa, portanto, apresentou um paradigma anteriormente inexplorado para a inicialização dissipativa de um simulador quântico por meio do acoplamento do sistema de muitos corpos que realiza a simulação quântica a uma partícula auxiliar dirigida dissipativamente. Eles escolheram a divisão de energia dentro da partícula auxiliar para se tornar ressonante com a lacuna de excitação de muitos corpos do sistema de interesse; descrito como a diferença entre a energia do estado fundamental e a energia do primeiro estado excitado. Durante tais condições de ressonância, a energia do simulador quântico poderia ser transferida de forma eficiente para a partícula auxiliar para que a primeira fosse resfriada simpaticamente, ou seja, partículas de um tipo, partículas resfriadas de outro tipo.

Embora o valor da lacuna de excitação de muitos corpos seja geralmente desconhecido antes da simulação, Raghunandan et al. mostraram que a lacuna pode ser determinada a partir de dados de simulação quântica por meio de uma medição espectroscópica. O processo de inicialização dissipativa também forneceu simultaneamente informações importantes sobre o sistema de muitos corpos e eles notaram que o resfriamento por uma única partícula auxiliar era eficiente e robusto contra processos de ruído indesejados que ocorrem no simulador quântico.

Especificamente, a equipe de pesquisa considerou diferentes modelos unidimensionais (1-D) de spin ½ sistemas de muitos corpos acoplados a um único spin de banho auxiliar acionado por dissipação (ambiente de baixa temperatura dominado por spin nuclear e paramagnético). A configuração pode ser generalizada para sistemas bosônicos ou fermiônicos de muitos corpos. A plataforma experimental impôs requisitos modestos, que funcionou efetivamente para simuladores quânticos analógicos e digitais. A configuração não exigia controle sobre as partículas individuais do simulador quântico.

Como primeiro modelo definitivo, Raghunandan et al. considerou o modelo de Ising em um campo transversal para formar uma plataforma simples fora da classe de hamiltonianos livres de frustração. Eles analisaram o desempenho de resfriamento da configuração rastreando a energia do sistema usando simulações de Monte Carlo de função de onda. O campo de Ising transversal é geralmente conhecido por sofrer uma transição de fase quântica de uma fase paramagnética para uma fase ferromagnética. A equipe observou a energia do sistema diminuir rapidamente e, finalmente, se aproximar de um valor próximo à energia do estado fundamental calculada numericamente.

O desempenho de resfriamento dependia da escolha do acoplamento sistema-banho (g _sb ) e a taxa de dissipação (γ). Se o acoplamento do banho do sistema fosse muito pequeno, a dinâmica de resfriamento era muito lenta, se fosse muito grande, então, o sistema e a rotação do banho tornaram-se fortemente emaranhados para reduzir o desempenho de resfriamento. Como resultado, os dois parâmetros tiveram que ser otimizados levando a um mínimo de energia dentro do tempo disponível. O protocolo de resfriamento não se limitou a um modelo específico - para substanciar isso, a equipe em seguida voltou-se para o caso especialmente desafiador de uma rede crítica de Heisenberg, ou seja, o arquétipo de modelos unidimensionais integráveis ​​quânticos.

A equipe investigou a cadeia de Heisenberg antiferromagnética como um segundo modelo quântico paradigmático (definitivo) de muitos corpos. O modelo, Contudo, representou um desafio para o protocolo de resfriamento. O estado fundamental no ponto crítico também era altamente emaranhado - permitindo que eles testassem a capacidade do protocolo de preparar estados quânticos de muitos corpos emaranhados. A equipe registrou o desempenho de resfriamento em relação à energia do sistema. Muito parecido com o modelo de Ising de campo transversal, a energia do sistema diminuiu rapidamente e atingiu um valor final próximo à energia do estado fundamental (E ₀ ), onde o estado final também foi altamente emaranhado.

Uma vez que é difícil medir experimentalmente a energia do sistema em muitas arquiteturas de simulação quântica sem realizar tomografia em todos os operadores do sistema, a equipe mediu a rotação do banho e a energia dissipada durante a dinâmica de resfriamento. Eles então investigaram a eficiência do protocolo de resfriamento para entender como suas propriedades se comportavam com o aumento do tamanho do sistema. Um protocolo é normalmente eficiente quando os recursos necessários para crescer polinomialmente com o tamanho do sistema. Raghunandan et al. usou uma simulação numérica para otimização não linear padrão e com base no comportamento de escala, eles mostraram que, uma vez que o número de partículas se tornou um recurso escasso em um simulador quântico, a sobrecarga mínima necessária para a inicialização permitiu o uso de quase todas as partículas para a simulação quântica real.

A única fonte de decoerência no trabalho provinha das inversões dissipativas da rotação do banho, embora as arquiteturas de simulação quântica também possam conter processos de decoerência indesejados no sistema que executa a simulação. Como resultado, era crucial determinar as consequências da decoerência adicional no desempenho do protocolo de resfriamento - as descobertas eram genéricas e aplicáveis ​​a outros modelos de muitos corpos. A equipe creditou a maior robustez contra a decoerência ao protocolo de preparação do estado dissipativo que poderia auto-corrigir os eventos de decoerência.

A equipe então realizou experimentalmente o protocolo de inicialização proposto em um sistema de íons aprisionados com tecnologia de ponta. Eles implementaram a configuração com ⁴⁰ Ca ⁺ íons semelhantes a um estudo anterior. Eles codificaram as estatísticas de spin no qubit óptico e manipularam a divisão de energia de forma coerente com feixes de laser radiais - onde o íon mais à direita serviu como o spin do banho e seu acoplamento induzido por laser ao íon vizinho implementou o acoplamento sistema-banho. Eles empregaram hamiltonianos de sistema e de banho de sistema como H _sys e H _sb na configuração e o mecanismo de decoerência dominante na plataforma surgiu das flutuações do campo magnético global.

Desta maneira, Meghana Raghunandan e seus colegas demonstraram como a adição de uma partícula auxiliar acionada por dissipação poderia resfriar simpaticamente um simulador quântico em estados de baixa energia. A abordagem é eficiente mesmo ao usar apenas um único banho de rotação para exibir forte robustez contra a descoerência indesejada que ocorre no estimulador quântico. Raghunandan et al. pretendem investigar ainda mais o comportamento de dimensionamento variando de forma otimizada as constantes de acoplamento do banho no tempo.

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