近日，清華大學段路明研究組在離子阱量子模拟領域取得重要進展，首次在實驗中實作拉比-哈伯德(Rabi-Hubbard)模型，超越目前經典超級計算機的模拟能力，是通向大規模離子阱量子計算與模拟的重要一步。
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拉比-哈伯德模型由量子光學和凝聚态實體學中的兩個基本模型——拉比模型和哈伯德模型結合而成。拉比模型可追溯到1936年，描述了光場與物質的互相作用；哈伯德模型起源于1963年，是描述晶格中粒子互相作用的最基本模型，現已發展為凝聚态實體學中衆多領域研究的出發點。而拉比-哈伯德模型包含了局域的拉比模型自旋-聲子互相作用以及格點之間的聲子-聲子互相作用，二者結合使得該模型表現出豐富的實體特性。該模型的實驗方案最初在腔量子電動力學系統中提出，但由于技術上的困難此前未在實驗上實作。
此次，清華大學交叉資訊研究院段路明研究組首次在實驗中實作了前述模型，并驗證了該模型的量子相變和量子動力學過程。團隊通過對16個離子和16個簡諧振動模式的操控，将該量子模拟問題的有效空間次元達到了257，超越現有經典超級計算機所能達到的模拟能力。相關成果近日發表于《實體評論快報》(Physical Review Letters)。
圖檔來自《實體評論快報》(Physical Review Letters)
得益于離子阱量子模拟平台的高度可控性，研究人員實作了對拉比-哈伯德模型的可控量子模拟研究。團隊通過對雷射的精密操控，實作了離子量子比特與局域聲子的互相作用，而離子阱系統中的庫倫互相作用形成了不同離子間的局域聲子交換項。
此外，研究人員還通過量子相變和量子動力學兩個方面驗證了拉比-哈伯德模型的成功實作。在量子相變方面，團隊通過絕熱演化實作了相幹相和非相幹相之間的轉化，在此過程中通過測量空間自旋關聯這一序參量，成功在不同規模的離子陣列中觀測到量子相變現象，且與DMRG方法近似計算的結果相符。DMRG即密度矩陣重整化群，是一種用來精準計算量子多體系統的數值算法，1992年由美國實體學家Steven R. White提出。
拉比-哈伯德模型的序參量演化和量子相變，圖檔來自清華大學
在量子動力學方面，拉比-哈伯德模型包含了離子的自旋模式和空間振動模式的互相耦合，這顯著增加了該系統有效的希爾伯特空間(Hilbert Space)次元，使得經典模拟難度增加。研究人員在小規模體系(即2離子、4離子)下觀測到了符合經典模拟預期的量子動力學演化，與量子相變一同證明，團隊在實驗中成功實作了拉比-哈伯德模型。
而在大規模體系（即16離子）和強耦合參數區間，常用的經典近似方法将不再适用。清華團隊實驗系統的有效态空間次元高達257，相關動力學過程難以通過經典計算機進行模拟計算。
拉比-哈伯德模型的自旋動力學演化，圖檔來自清華大學
前述研究展示了基于離子阱平台的量子多體模拟，将空間振動自由度引入量子模拟中，實作了經典計算機難以計算的問題規模，是通向未來大規模離子阱量子計算、量子模拟的重要一步。
論文共同第一作者為清華大學交叉資訊研究院博士生梅全鑫、李博文和助理教授吳宇恺，通訊作者為段路明教授，其他作者包括博士生王也、副研究員周子超、以及華翊量子公司的研究員蔡明磊、姚麟。項目獲得清華大學自主科研計劃、北京量子資訊科學研究院、國家重點研發計劃、教育部量子資訊前沿科學中心、清華大學水木學者項目、博士後國際交流計劃引進項目、清華大學科研啟動基金的資助與支援。