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杜江峰教授课题组实验实现对32自旋链的压缩量子模拟

中国科大杜江峰教授课题组在量子模拟的实验研究中取得重要进展。他们在国际上首次实验实现了压缩量子模拟方法,将原先需要n量子比特的量子模拟任务压缩到仅需log(n)量子比特并在实验中成功实现。利用该方法,他们使用核磁共振量子模拟器成功研究了一个32自旋链的基态性质。这一实验的成功实现预示着量子模拟能解决的问题尺度将大为增加,为量子模拟超越经典计算提供可能。相关研究成果发表在近日出版的《物理评论快报》上,并被选为该期编辑推荐亮点文章。 

 

在多体量子系统的研究中,若直接使用经典计算机进行数值计算,需要消耗指数级的资源。如模拟32个自旋1/2粒子组成的多体系统需要的计算量就高达10^20量级,对于经典计算机而言极难完成。1982年,诺贝尔物理学奖得主费曼教授提出量子模拟的概念,指出使用量子模拟器研究量子系统仅需要多项式级资源,相对经典情形可达到指数级加速。然而,受限于目前对量子系统的操控能力,实验中可使用的量子模拟器的尺度仍然较小,这使得较大规模量子系统的实验研究目前仍然难以完成。 

 

杜江峰教授课题组李兆凯等使用了新颖的压缩量子模拟技术,极大地减少了量子模拟所需的实验资源,将原本需要n量子比特才能实现的量子模拟任务压缩至log(n)量子比特的量子线路。在实验中,他们以32个自旋组成的Ising链为例,利用压缩量子模拟技术将该量子系统的模拟过程压缩至log(32)比特的空间中,进而转化为5比特的量子线路。随后利用核磁共振量子计算机,在实验上成功地模拟了该32自旋链量子系统,观测到其基态性质随该系统内部参数变化的趋势。

 

  

 

这一研究成果表明,对于特定类型的多体量子系统,使用压缩量子模拟技术可以极大地减少对量子模拟器比特数的需求。将经典计算所需的O(2n)资源压缩到仅需O(log(n))量子比特。这种双指数的加速过程使得研究多体量子系统的难度极大地降低,为当前技术水平下实现大规模的量子模拟提供了一种可行方案。该成果发表在2014年《物理评论快报》上,并被选为当期的编辑推荐亮点文章。[Phys. Rev. Lett. 112, 220501 (2014), Editors’ Suggestion] 。

 

 
 
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