中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
Q03組供稿
第54期
2019年08月19日
基于超導多量子比特量子模擬研究取得進展

  近年來,量子計算領域備受學術界、各大科技公司以及公眾的關注。在某些領域,諸如大數分解和量子多體系統模擬,經典計算機具有難以克服的瓶頸,而量子計算卻有望解決這些難題。因此,它具有相當廣闊的應用前景。一方面,量子計算領域的科學家一直在追求制造出可實用的通用量子計算機;另一方面,作為這個期間的副產品——對噪音有冗余的量子多體模擬,也備受學術界關注。現階段的多比特量子處理器雖然還達不到通用量子計算的程度,但作為模擬量子多體系統的載體具有相當大的優勢。由于量子處理器是一個人工量子系統,相比于一般的自然界的材料,它具有高度的可控性。

  超導量子比特是眾多實現量子計算系統中最佳選項之一,因為它具有擴展性好、相干時間長、操作精度高和易讀取等優點。同時,基于超導量子比特的量子多體模擬也是當前人們一直關注的前沿問題。近日,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心范桁研究員(Q03)、孟子楊研究員(T03),博士研究生葛自勇,以及北京計算科學研究中心張煜然博士等組成的理論課題組,與中國科學技術大學朱曉波教授、潘建偉教授及其課題組葉楊森、吳玉林等多位成員所組成的實驗組通力合作,在具有24個量子比特的超導處理器上實現了Bose-Hubbard梯子模型的動力學模擬,并觀測到一些新的動力學現象。

  一般的超導LC震蕩回路相當于光子在一個典型的諧振子勢阱中運動,其能級是等間距的,無法通過微波來精確操控某兩個或三個能級。但是,在LC回路上加上約瑟夫森結后,非線性效應產生非諧性,可實現非等間距的能級排列,從而構成一個超導量子比特。另外,根據能級差,通過相應頻段的微波,可以精確操控超導比特,實現單比特旋轉門。同時,兩個超導比特還可以直接通過電容、電感或諧振腔等耦合起來。本實驗的超導量子芯片包含24個超導比特,近鄰的兩個比特通過電容耦合起來,形成一個梯子狀的晶格,如圖1(a)所示。由于光子可以在近鄰的兩個比特之間跳躍,且每個比特都具有非諧性,使得光子具有在位的相互作用,整個多體系統可以用Bose-Hubbard梯子模型描述。

  早年,人們發現Bose-Hubbard模型作為一個局域系統,其激發和信息滿足線性傳遞,并被限制在Lieb-Robinson界限內。同時,在大U極限下,一個格點基本不會出現兩個或兩個以上的玻色子占據,即系統會展現費米子化。費米子化后,玻色子會展現反聚束的現象,即兩個玻色子會趨向于往不同方向傳播。然而,在Bose-Hubbard梯子模型中,數值計算和實驗結果表明它和一維的Bose-Hubbard鏈有明顯的區別。

  為了研究Bose-Hubbard梯子模型的光子在晶格中的傳播,實驗上,先將所有比特初始化到|0>態,然后再將特定的比特激發到|1>態,即放置一個光子在相應格點上,再讓整個系統按Bose-Hubbard梯子模型哈密頓量演化。最后,通過觀測各個比特上光子數占據的概率隨時間的演化來表征光子傳播的情況。

  當系統初始只有一個光子時,無論放置在邊界還是體內,其傳遞都與一維鏈一樣,滿足線性傳遞和Lieb-Robinson界限,如圖2所示。但是,當系統有兩個光子時,若該雙光子在邊界上,則會出現明顯的邊界局域化,即該雙光子基本不向系統內部傳遞;若該雙光子在系統的體內,則它會分裂成兩個單光子分別向系統的兩邊線性傳遞,類似于一維鏈中的反聚束現象,如圖3所示。實驗中利用超導處理器中的20個量子比特清晰地展示了這些現象。另外,研究團隊根據進一步的數值計算結果發現,當系統的在位相互作用變小時,雙激發的邊界局域化會越來越弱。因此,這是一種由相互作用引起的邊界局域化,與我們常見的由無序或拓撲導致的局域化有一定的差異。

  相關工作已經發表在Phys.Rev.Lett.123,050502(2019), 該工作得到了國家自然科學基金、科技部、中科院先導B專項以及松山湖材料實驗室、北京市基金等的支持。

  本文同等貢獻第一作者為:葉楊森(中國科學技術大學),葛自勇(中科院物理所),吳玉林(中國科學技術大學);通訊作者為:范桁(中科院物理所),朱曉波(中國科學技術大學)。

文章鏈接:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.050502

圖1. (a)24比特超導電路圖,構成一個梯子狀結構。(b) Bose-Hubbard梯子模型示意圖。
圖2:初態只有一個光子時,其光子概率分布的時間演化圖。可以明顯看到單激發的線性傳遞,滿足Lieb-Robinson界限。
圖3:初態有雙光子時光子概率分布的時間演化圖。當雙激發在邊界時會出現明顯的局域化,在體內時會分裂成兩個單激發向兩邊傳遞。