近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領(lǐng)域取得重要進展，首次在實驗中借助離子量子比特實現(xiàn)了拉比-哈伯德（Rabi-Hubbard）模型，并驗證了該模型的量子相變以及量子動力學過程。通過對16個離子和16個簡諧振動模式的操控，該量子模擬問題的有效空間維度達到了257，超越了現(xiàn)有經(jīng)典超級計算機的模擬能力。 [R*UPa  
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拉比-哈伯德模型由量子光學和凝聚態(tài)物理中的兩個基本模型結(jié)合而成，拉比模型歷史悠久，可以追溯到1936年，它描述了光場與物質(zhì)的相互作用。哈伯德模型起源于1963年，是描述晶格中粒子相互作用的最基本的模型，現(xiàn)已發(fā)展成為凝聚態(tài)物理學中許多領(lǐng)域的出發(fā)點。拉比-哈伯德模型包含了局域的拉比模型自旋-聲子相互作用以及格點之間的聲子-聲子相互作用，兩者的結(jié)合使得該模型表現(xiàn)出豐富的物理特性。該模型的實驗方案最初在腔量子電動力學系統(tǒng)中提出，但是由于技術(shù)困難一直沒有在實驗上實現(xiàn)。 5xX*68]%  
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得益于離子阱量子模擬平臺的高度可控性，研究人員實現(xiàn)了對拉比-哈伯德模型的可控量子模擬研究。研究人員通過對激光的精密操控實現(xiàn)了離子量子比特與局域聲子的相互作用，而離子阱系統(tǒng)中的庫倫相互作用形成了不同離子間的局域聲子交換項。在這項工作中，研究人員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現(xiàn)。在量子相變方面，研究人員通過絕熱演化實現(xiàn)了相干相和非相干相之間的轉(zhuǎn)化，在此過程中通過測量空間自旋關(guān)聯(lián)這一序參量，成功在不同規(guī)模的離子陣列中觀測到量子相變現(xiàn)象，且與DMRG方法近似計算的結(jié)果相符。 JYA$_T
  
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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相互耦合，這顯著增加了該系統(tǒng)有效的希爾伯特空間維度，使得經(jīng)典模擬難度增加。研究人員在小規(guī)模體系（2離子、4離子）下觀測到了符合經(jīng)典模擬預(yù)期的量子動力學演化，與量子相變一同證明了本實驗中拉比-哈伯德模型的成功實現(xiàn)。而在大規(guī)模體系（16離子）和強耦合參數(shù)區(qū)間，常用的經(jīng)典近似方法將不再適用，實驗系統(tǒng)的有效態(tài)空間維度高達257，相關(guān)的動力學過程已經(jīng)難以通過經(jīng)典計算機模擬計算。該實驗展示了基于離子阱平臺的量子多體模擬，將空間振動自由度引入量子模擬中，實現(xiàn)了經(jīng)典計算機難以計算的問題規(guī)模，是通向未來大規(guī)模離子阱量子計算、量子模擬的重要一步。 4<fKB&