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超导量子计算新进展:多体局域化迁移率边界的量子模拟

编辑:周炜 时间:2020年09月22日 访问次数:151

   将冰块放入一杯温水中,过一会儿冰就化成了水。物理学家看到这一宏观现象可能会想,微观的量子世界也有类似的“热化”thermalization)现象。在经典世界中,温度决定了冰块能否最终融化;那么在量子世界里,决定微观体系是否热化的因素是什么?这与科学界一个悬而未决的争议有关—— “多体局域化迁移率边界many-body mobility edge)是否存在?现在,理论物理学家要和实验物理学家联起手来探寻这一难题。

 

浙江大学、兰州大学、北京计算科学研究中心和中科院物理所等多个团队合作研究,设计制备了20个超导量子比特的量子芯片,并运用其中19个比特成功地观测到系统从热化多体局域化many-body localization)的相变行为与能量相关这一现象。这是国际上首个系统研究多体局域化迁移率边界的量子模拟实验,相关论文于2020921日在《自然·物理》杂志在线发表,题目为“Observation of energy resolved many-body localization”

 

什么左右了多粒子系统的命运?

 

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1:温水中的冰块

 

冰融于水的例子,只是科学家向普通读者解释物理学中热化这一概念时借用的经典意象。它真正切入的科学问题其实是非常抽象的:在一个由多个相互作用的粒子构成的封闭系统中,体系的初始状态携带有一定的局域(local)信息;随着时间的推移,系统逐渐演化至非平衡稳态,最初的局域信息弥散在所有粒子中,粒子间相互纠缠,最终局域的信息被完全淹没而不可获得。这是热化的一个主要特征,就像经典世界中冰融于水的过程,最终关于冰块形状的信息已经完全丢失了。

 

不过,热化或许并不是系统的唯一命运。科学家指出,如果引入一定的随机势(disorder),随着随机势的增强,系统的最终状态不会热化而是倾向于局域化。系统仿佛有了某种记忆,初始状态局部的信息得以部分保留。这种量子相的改变,称为多体局域化。目前,科学界已经通过实验验证,随机势的强度是从热化局域化转变的因素。

 

在确认热化局域化转变的另一个因素时,学界的意见就没那么统一了。一部分物理学家认为,系统最终是热化还是局域化,可能不仅仅取决于随机势的强度,还取决于能量,即在相图上存在一个同时依赖于随机势强度和能量的边界,称为多体局域化迁移率边界。但另一部分物理学家认为这个边界并不存在,目前数值上所观测到的边界,只是有限尺寸效应而已。

 

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2多体局域化迁移率边界示意图

 

这条边界,既是理论物理学概念里的边界,也是经典计算机的边界边界的存在与否无法在理论上给出严格的证明,基于严格对角化的数值模拟也因受限于经典计算的能力,目前只能给出大约24个量子比特的系统存在这一边界的证据。随着比特数目的再增加,所消耗的计算资源成指数增长,最终会超出目前经典计算机的计算能力。

 

北京科学计算研究中心研究员Rubem Mondaini关注多体局域化迁移率边界是否存在问题已久,在他看来,现有的解题钥匙(理论和数值)都已试过,还剩一把蕴含希望:量子模拟。2019年夏天,他与中科院物理所范桁研究员一起,找到了浙江大学超导量子计算与量子模拟研究团队,提出了合作研究的设想。

 

超级钥匙量子计算

 

在人类不断突破极限、无止尽探索世界的过程中,量子计算有望成为一把与众不同的钥匙。通过叠加、纠缠等量子世界特有的效应,可以完成经典计算机所不能胜任的海量计算,协助人类应对药物研发、密码学、人工智能等领域的复杂难题。

 

尽管目前量子计算整体仍处于婴儿阶段,但近年来在某些方面的优越性已略显端倪。2019年,谷歌量子团队量子计算团队宣布已经达成量子霸权,他们用53个量子比特的超导量子芯片,在200秒内完成了经典计算机需要算一万年完成的问题,被认为是一个里程碑事件。

 

浙江大学历来重视量子科学技术的发展,早在10年前即布局该领域,组建了超导量子计算与量子模拟团队。该团队通过与国内兄弟院校合作,近些年来取得了一系列具有国际影响力重要突破,包括2017年实现10量子比特GHZ全局纠缠,创造了当时超导量子比特全局纠缠世界纪录;2019 Science 发文,制备了20比特的薛定谔猫态,再次刷新记录。

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3:浙江大学超导量子计算与量子模拟研究团队

 

Rubem的造访,是偶然,也是必然。团队成员博士生郭秋江介绍说:我所在的团队一直专注于技术的探索,提升超导量子芯片的相干性和集成度。我们希望通过技术的提升,使我们能做更多的事情。能真正地帮助到其他领域的学者解决他们遇到的问题,一直是我们期待的。

 

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420比特超导量子芯片(左),等效相互作用模型示意图(右)。

 

同样是20比特芯片,这块用于研究多体局域化迁移率边界的芯片的设计与生成20比特薛定谔猫态的的芯片是不同的。这块芯片上,近邻比特间的相互作用更强,更容易观察到实验现象。研究团队利用其中19个比特,制备光子相同而能量不同的初态,实现了动力学演化在能量上区分度。

 

实验结果清晰地显示了多体局域化迁移率边界在相图中的“D”形特征,与数值模拟结果非常接近。兰州大学青年研究员程晨说:这个‘D’形特征以前只在理论的文献中看到过,没有想到实验和数值如此的吻合。进一步,研究人员通过观测不同物理量的动力学演化,从初态信息的保留 (general imbalance)、波函数在希尔伯特空间的分布 (participation ratio)和纠缠(quantum Fisher information)三个方面,发现系统的能量确实影响到了系统的走向:相较于能谱的边缘,系统能量处于能谱的中央时更容易热化

 

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5热化局域化的转变相图。左图为实验,右图为数值模拟。

 

量子模拟潜力初显

 

 

中科院物理所研究员范桁认为,量子模拟的实用价值已经初步展现,我们已经在19个量子比特上清楚地看到“多体局域化迁移率边界”存在的证据,在可预见的未来,当量子比特数扩展至百量级甚至千量级时,我们有希望对这个问题给出定性的判断。这不仅仅展示了量子模拟在解决实际问题中的巨大潜力,更为展现量子优越性提供了思路。

 

“我们确实正在见证一场量子革命。”Rubem说:“这项工作并不是对‘多体局域化迁移率边界’的彻底证明,但它代表了超导量子模拟用于多体物理研究的一大进步。多体物理中有许多开放的问题,量子模拟将在未来解决这些问题中扮演更重要的角色。”

 

本文的同等贡献一作为:郭秋江(浙江大学)、程晨(兰州大学/北京计算科学研究中心)、孙政杭(中科院物理所)。通讯作者为:Rubem Mondaini(北京计算科学研究中心)、范桁(中科院物理所)、王浩华(浙江大学)。其他作者包括:浙江大学团队的宋紫璇,李贺康、王震、任文慧和董航;中科院物理所研究员郑东宁;日本RIKEN 理论量子物理实验室的张煜然。

 

这一研究得到了浙大“双一流”建设专项经费、国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院重点研究计划、浙江省重点研发计划、浙大量子信息交叉中心和现代光学仪器国家重点实验室的支持。

 

 

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41567-020-1035-1

(文:周炜)