Large-scale quantum simulations of dissipative spin-1/2 Heisenberg chains
本文在 IBM Kingston 处理器上展示了对耗散自旋-1/2 海森堡链的大规模量子模拟，通过成功绘制包含 117 个数据点的丰富非平衡相图，并证明量子硬件可以有效解决耗散量子多体问题，从而解决了关于该系统稳态状态的长期不确定性。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
在宇宙寂静的角落里，物质很少处于完美的静止状态。即使一个系统看似平静，它也往往处于自身内部规则与周围环境混沌影响之间持续而微妙的斗争之中。当一簇微小的粒子（例如原子的自旋）与一个充满噪声的环境相互作用时，它并不会像在完美的孤立真空中那样，简单地沉降到一个平和、可预测的状态。相反，它可以弛豫到一种独特的稳态，这种状态的存在完全是因为这种持续的摩擦和能量损失。这是一种“非平衡”状态，一种动态的平衡，在这种平衡中，秩序可以从混沌中产生，而这在封闭系统中是不可能实现的。几十年来，科学家们一直试图绘制出支配这些状态的规则，特别是对于磁性原子链，但其中涉及的数学极其复杂，以至于即使是最强大的超级计算机也难以找到答案。问题在于，描述这些系统如何失去能量，不仅需要追踪粒子本身，还需要追踪它们可能处于的每种可能排列方式的概率，这一任务随着系统的增大而呈现指数级的难度增长。
一支研究团队现在转向了一种不同类型的机器来解决这个谜题：量子计算机。与以线性、逐步方式处理信息的经典计算机不同，量子计算机利用量子力学的奇特属性直接模拟其他量子系统。在最近的一项研究中，科学家们使用超导量子处理器模拟了一个由五十个磁性原子组成的长链，这些原子正与一个充满噪声的环境相互作用。他们能够观察这个链条如何随时间演化，并最终进入稳态。通过在一个拥有多达一百个活跃量子比特的设备上运行模拟，他们绘制出了一个详细的图景，展示了这些系统在不同条件下是如何表现的。他们的工作揭示了一个丰富且令人惊讶的磁性模式世界，表明这些链条所形成的稳态比之前的理论预测的要复杂和多样得多。
研究人员专注于一种排列成线的特定磁性原子模型，其中每个原子既与相邻原子相互作用，又同时向周围环境损失能量。在过去，科学家依赖于简化的理论，这些理论假设每个原子只感受到其邻居的平均影响，就像一个人在人群中只对整体氛围做出反应，而不是对个体对话做出反应。这些简化模型预测了一套特定的磁性行为，包括所有自旋指向同一方向的模式、自旋交替的模式，以及自旋随机指向的无序状态。然而，当这些理论应用于更大的系统时，它们经常彼此矛盾，而且没有人能明确指出哪种图景是正确的，因为计算量对于传统计算机来说过于庞大。
为了绕过这些限制，该团队编写程序让量子处理器逐步演绎该系统的物理过程。他们模拟了一个包含五十个位点的链条，这需要一百个量子比特来同时表示原子及其相互作用的环境。模拟运行了很长时间，使系统得以演化直到达到稳定状态。这项工作的一个关键洞察是，系统的本质有助于保护模拟免受误差的影响。由于系统不断向环境损失能量，它会自然地“遗忘”计算过程中发生的错误。硬件中的噪声就像一种微弱的竞争力量，虽然会轻微改变最终状态，但不会破坏底层的磁性模式。这种自纠错特性使得研究人员能够在现有的、尚不完美的硬件上运行足够长时间的模拟，从而观察到系统的真实行为。
结果描绘了该系统中涌现出的磁相的详细图像。研究人员测量了链条上不同位置的自旋如何相互关联，寻找指示不同类型磁有序的特定模式。他们发现了铁磁态（自旋方向一致）和反铁磁态（自旋交替）的明确证据。他们还观察到了一种被称为自旋密度波的更复杂的模式，即磁有序沿链条逐渐发生偏移。或许最令人惊讶的是，他们发现旧理论所预测的无序、随机状态在该系统中其实非常有限。该系统并没有出现一个巨大的中心无序区域，而是倾向于组织成这些各种有序模式，随机状态仅出现在原子间相互作用达到完美平衡的一个狭窄条带中。
研究还揭示了模拟方法本身的一个微妙人工产物。在原子间相互作用非常强的图谱角落，研究人员检测到了一个新生的、初始模式的出现，而这个模式并不在他们原本打算研究的模型之中。这个模式源于将模拟分解为微小时间步长的过程，这是数字量子计算中一种必要的折衷方案。研究人员并未将其视为缺陷，而是认识到这些“Trotter诱导”效应实际上为系统增加了新的相互作用类型。这表明，通过精确控制模拟步骤，科学家们或许能够设计出特定的磁相，而这些磁相在其他情况下难以创造，从而将一个潜在的误差源转化为发现的工具。
通过收集来自不同相互作用范围内的这一百一十七个不同点的观测数据，该团队构建了一个全面的相图，作为该领域的全新基准。他们的发现很大程度上解决了关于这些耗散系统如何表现的长期争议，表明现实是一个不同有序状态之间相互过渡的景观，而非具有尖锐、截然不同的边界。这项工作证明，量子计算机已经成熟到足以应对此前无法触及的科学问题，特别是那些不断与环境相互作用的系统。它让我们窥见了这样一个未来：这些机器可以帮助我们理解量子世界复杂、嘈杂且动态的本质，超越理想化的情景，去探索物质实际表现出的那种混乱的现实。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。