在量子模擬器上模擬計算複雜的多體問題，對於深入了解物理、化學和生物系統具有巨大潛力。物理學家以前已經實現了哈密頓力學，但將量子模擬器啟動到合適量子態的問題仍然沒有解決。在發表在《科學進展》期刊上的研究中，Meghana Raghunanda和德國理論物理研究所、Quest研究所和量子光學研究所的一個研究小組展示了一種新方法。

雖然研究中開發的初始化協議在很大程度上獨立於模擬裝置的物理實現，但該研究團隊提供了一個實現“囚禁”離子量子模擬器的例子。量子模擬是一項旨在解決高溫超導、相互作用量子場理論或多體局域化等重大公開問題的新興技術，一系列實驗已經證明了哈密頓動力學在量子模擬器中的成功實現。

然而，這種方法在量子相變中可能會變得具有挑戰性。Raghunanda等人提出了新戰略，通過利用耗散量子系統來設計有趣多體狀態的最新進展，克服了這個問題。

（上圖所示）量子模擬器的交感冷卻：(A)執行量子模擬的N個自旋系統正在與另一個被耗散驅動的浴場自旋相互作用；(B)顯示系統與槽之間共振能量傳輸的能級結構示意圖，之後槽自旋被耗散泵入其基態；(C)利用俘獲的40Ca+離子實現的能級方案。圖片：Science Advances

幾乎所有感興趣的多體哈密頓算符都留在以前研究過的類之外，因此需要對耗散態製備過程進行推廣。因此，研究小組提出了一種以前從未探索過的範例，通過將執行量子模擬的多體系統耦合到耗散驅動輔助粒子，來實現量子模擬器的耗散初始化。

研究選擇了輔助粒子內部的能量分裂，使之與感興趣系統的多體激發能隙共振；描述為基態能量和第一激發態能量的差值。在這種共振條件下，量子模擬器的能量可以有效地轉移到輔助粒子上，以便前者被對稱冷卻，即一種型別的粒子和另一種型別的冷卻粒子。

雖然在模擬之前，多體激發間隙的值通常是未知的，研究結果表明：可以通過光譜測量從量子模擬資料中確定能隙。耗散初始化過程也同時提供了關於多體系統的重要資訊，通過單個輔助粒子進行冷卻，對於量子模擬器中發生不想要的噪音過程是有效和穩定的。

具體地說，研究小組考慮了不同模型的一維(1-D)自旋1/2多體系統耦合到單個耗散驅動的輔助浴自旋（以核自旋和順磁自旋為主的低溫環境），該裝置可推廣到玻色子或費米子多體系統。

實驗平臺提出了適度的要求，這對模擬和數字量子模擬器都有效，該設定不需要對量子模擬器的單個粒子進行控制。作為第一個確定的模型，研究考慮了橫場中的伊辛模型，形成了一個簡單平臺外的無挫類哈密頓。

通過使用波函式蒙特卡羅模擬跟蹤系統能量來分析該裝置的冷卻效能。眾所周知，橫向伊辛場經歷了從順磁相到鐵磁相的量子相變。研究小組觀察到該系統的能量迅速下降，最終接近數值計算的基態能量。冷卻效能取決於系統-浴場耦合(Gsb)和耗散率(γ)的選擇。

如果液浴耦合太小，冷卻動力學很慢，如果太大，系統和浴池自旋會發生強烈的糾纏，從而降低冷卻效能。因此，必須對這兩個引數進行優化，從而在可用時間內將能量降至最低。

冷卻方案並不侷限於特定的模型，為了證實這一點，研究小組接下來轉向了一個特別具有挑戰性的臨界海森堡鏈情況，即量子可積一維模型的原型。研究團隊研究了反鐵磁性海森堡鏈作為第二個聚合(確定的)量子多體模型，然而，該模型對冷卻協議提出了挑戰。

臨界點基態也是高度糾纏的，這使得他們可以測試該協議製備糾纏量子多體狀態的能力。研究團隊記錄了相對於系統能量的冷卻效能。與橫場伊辛模型非常相似，系統能量迅速下降，並達到一個接近基態能量(E0)的終值，此時的終態也是高度糾纏的。

由於在不對系統中的所有操作員進行層析成像情況下，很難在許多量子模擬架構上實驗測量系統能量，因此研究小組改為測量了冷卻動力學過程中的浴池自旋和能量耗散。然後，研究了冷卻協議的效率，以了解其效能如何隨系統大小的增加而變化。

當所需的資源隨系統大小呈多項式增長時，協議通常是有效的，使用數值模擬進行標準的非線性優化，並基於縮放行為，研究表明，由於粒子數量成為量子模擬器中的稀缺資源，初始化所需的最小消耗能將幾乎所有粒子用於實際的量子模擬。

研究中唯一的消相干來源來自於自旋的耗散翻轉，儘管量子模擬體系結構也可能在執行模擬系統中包含不想要的消相干過程。因此，確定額外退相干對冷卻方案效能的影響至關重要，這些發現是通用的，並且適用於其他多體模型。

該團隊將改善的抗消相干能力歸功於耗散狀態準備協議，該協議可以自校正消相干事件。然後，該團隊利用最先進技術在“囚禁”離子系統中實驗實現了所提出的初始化協議。研究用40Ca+離子實施了這一設定，類似於之前的一項研究。將自旋統計資訊編碼到光學量子位元中，並利用徑向鐳射束相干地操縱能量分裂，其中最右邊的離子充當浴自旋，它與鄰近離子的鐳射誘導耦合實現了系統浴耦合。

在裝置中同時使用了系統哈密頓和系統浴哈密頓作為Hsys和HSB，而在平臺中起主導作用的退相干機制是由全球磁場波動引起。通過這種方式，研究人員展示了如何新增一個耗散驅動的輔助粒子，將量子模擬器冷卻到低能狀態。該方法是有效的，即使當僅使用單浴自旋來表現出對量子刺激器中出現不要的退相干具有很強的魯棒性時也有效，研究人員還打算通過及時最佳地改變熔池的耦合常數來進一步研究水槽的結垢行為。

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aaw9268