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超导量子计算进展：多体局域化迁移率边界的量子模拟( 二 )


超导量子计算进展：多体局域化迁移率边界的量子模拟
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图1. 多体局域化迁移率边界的示意图
最近几年 ， 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心范桁课题组和郑东宁课题组等 ， 与浙江大学王浩华课题组在超导量子计算领域合作紧密 。 近期 ， 合作团队及研究生郭秋江（浙大） ， 孙政杭（物理所）等与兰州大学青年研究员程晨博士 ， 北京计算科学研究中心长聘助理教授Rubem Mondaini等提出了能量密度谱对应的量子多体局域化模拟方案 ， 即系统能量密度和无序强度分别连续可调 ， 在多量子比特超导处理器上可高保真度实现 ， 利用团队制备的多量子比特器件中的19个超导量子比特（图二） ， 在实验上成功观测到依赖能量密度和无序强度的多体局域化与热化转变的行为 ， 与数值模拟的结果相符 。 值得指出的是此方案可以直接推广到更多量子比特情况 ， 其能量密度经典计算量并不随比特数增加而指数增长 ， 有望提供一个具有科学价值的量子优越性方案并解决此问题 ， 此量子模拟成果于近期在Nature Physics上在线发表 。
超导量子计算进展：多体局域化迁移率边界的量子模拟
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【超导量子计算进展：多体局域化迁移率边界的量子模拟】
图2. 19比特超导量子模拟器示意图
在此工作中 ， 合作团队通过定义不同初态的能量密度以及非平衡度 ， 通过研究系统的非平衡动力学 ， 成功观测到了迁移率边界（图3） 。 另外 ， 由于超导量子模拟器较高的读取精度允许准确测量密度矩阵的对角元 ， 通过研究参与比（participation ratio）以及量子费舍尔信息的非平衡动力学 ， 该实验首次观测到在相同无序强度下 ， 不同能量密度的初始态会表现出不同的参与比与量子费舍尔信息动力学行为（图4） ， 此结果从不同的角度演示了迁移率边界在19量子比特系统中的存在 。
超导量子计算进展：多体局域化迁移率边界的量子模拟
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图3. 多体局域化迁移率边界的实验证据 ， 实验数据与数值模拟有较高符合程度 。
超导量子计算进展：多体局域化迁移率边界的量子模拟
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图4. 在相同无序强度下 ， 不同能量密度的初态给出不同的参与比和量子费舍尔信息的动力学性质
展望：针对量子计算 ， 美国政府首席技术官Michael Kratsios在《财富》（fortune）撰文指出谷歌已经取得了非凡的新成就 ， 针对一些评论认为量子优越性的证明只是一项科学成就 ， 而没有实用价值时指出：这一观点忽视了量子计算的惊人潜力 ， 美国政府认为“无论量子计算的未来如何 ， 我们知道它将是革命性的 ， 它将在美国建成” 。 无疑 ， 世界各国都非常重视量子计算的研究 ， 但有科学和实用价值的量子计算机研制任重而道远 ， 并非一蹴即就 。
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） ， 浙江大学团队宋紫璇 ， 李贺康、王震、任文慧和董航 ， 物理所郑东宁 ， RIKEN 理论量子物理实验室的张煜然参与了此项工作 ， 见参考文献 。
参考文献：
Qiujiang Guo#, Chen Cheng#, Zheng-Hang Sun#, Zixuan Song, Hekang Li, Zhen Wang, Wenhui Ren, Hang Dong, Dongning Zheng, Yu-Ran Zhang, Rubem Mondaini*, Heng Fan*, H. Wang*,
Observation of energy resolved many-body localization
Nature Physics, (2020).
文档获取：
https://doi.org/10.1038/s41567-020-1035-1


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