量子模拟超越经典超算：清华首次实现拉比-哈伯德模型实验

近日，清华大学交叉信息研究院段路明研究组在离子阱量子模拟领域取得重要进展。
前述团队首次在实验中借助离子阱平台实现了拉比-哈伯德(Rabi-Hubbard)模型，达到了约14亿亿的有效希尔伯特空间(Hilbert Space)维度，并首次在离子阱系统实现超越现有经典超级计算机运算能力的量子模拟，成为通向未来大规模离子阱量子计算、量子模拟的重要一步。拉比模型与哈伯德模型结合
“拉比-哈伯德模型结合了物理学中两个重要模型：拉比模型和哈伯德模型。”清华大学交叉信息研究院段路明对澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者介绍，拉比模型由诺贝尔奖得主Isidor I Rabi在1936年提出，描述了原子与光的基本相互作用；哈伯德模型则起源于1963年，是凝聚态物理中的一个基本模型，解释了具有强关联的材料的基本性质。
拉比-哈伯德模型结合了局域的拉比相互作用和长程的哈伯德相互作用，展现出丰富的物理性质。段路明表示，“由于拉比-哈伯德模型同时涉及到原子（自旋）和光场（玻色子）的多体相互作用，这一模型的实验实现需要同时、精确地控制多体系统的多种自由度，构成了主要的技术挑战。”段路明现任清华大学姚期智讲座教授、清华大学基础科学讲席教授，从事研究量子计算机和量子网络方向。他曾获中科院院长特别奖、饶毓泰基础光学奖、中科院百人计划、美国斯隆研究奖等，2009年当选美国物理学会会士。2018年辞去美国密歇根大学费米讲席教授职位后，段路明选择回国，全职在清华大学交叉信息研究院工作。
基于离子阱的拉比-哈伯德模型实现
拉比-哈伯德模型的实验方案最初在腔量子电动力学系统中提出，但基于前述技术挑战未曾在实验上实现。
此次，清华大学段路明研究组“另辟蹊径”，采用离子阱量子模拟平台，以实现拉比-哈伯德模型。
离子阱的发明与量子调控分别获得1989年和2012年的诺贝尔物理学奖。近年来，基于离子阱的量子计算、量子模拟研究，取得了一系列理论和实验进展。“离子阱系统具有量子相干时间长、量子操作保真度高、量子比特连通性好、量子比特数易于扩展等优点，是当前量子模拟和量子计算研究中，最为领先的物理系统之一。”
“由于离子阱系统的上述优势，我们提出并首次在实验上实现了离子阱平台对拉比-哈伯德模型的量子模拟。”段路明向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者说道，他带领团队通过对激光的精密操控，实现了离子量子比特与局域声子的相互作用，而离子阱系统中的长程库伦相互作用（即两个点电荷间的作用力）形成了不同离子间的局域声子交换项。

实验示意图，图片来自论文

前述实验中主要涉及到激光、高真空和电子学控制设备。其中，高真空系统用于隔绝环境噪声对离子阱系统的干扰，电子学系统产生精密的实验序列、控制激光系统对离子的状态进行初始化、量子调控和测量。
超越经典超算能力的量子模拟
段路明研究组不仅首次在实验中实现了拉比-哈伯德模型，并验证了该模型的量子相变和量子动力学过程，将该量子模拟问题的有效空间维度达到了2的57次方，超越现有经典超级计算机所能达到的模拟能力。相关成果发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

图片来自《物理评论快报》(Physical Review Letters)

拉比-哈伯德模型的序参量演化和量子相变，图片来自清华大学

在量子动力学方面，拉比-哈伯德模型包含了离子的自旋模式和空间振动模式的相互耦合，这显著增加了该系统有效的希尔伯特空间维度，使经典模拟的困难程度增加。团队在小规模体系(即2离子、4离子)下，观测到符合经典模拟预期的量子动力学演化，与量子相变共同证明了团队在实验中首次实现拉比-哈伯德模型。
在大规模体系（即16离子）和强耦合参数区间，常用的经典近似方法不再适用。前述实验系统的有效希尔伯特空间维度高达2的57次方，相关动力学过程难以通过经典计算机进行模拟计算。

拉比-哈伯德模型的自旋动力学演化，图片来自清华大学

“对于量子系统而言，有效希尔伯特空间维度表征了系统的复杂度，或者说利用经典计算机模拟该系统的困难程度，一般而言它随着量子比特数的增加而指数增长。”段路明表示该实验实现了2的57次方、约14亿亿的有效希尔伯特空间维度，首次在离子阱系统实现了超越现有经典超级计算机运算能力的量子模拟。
前述实验成果扩展了离子阱量子模拟平台用于研究量子多体问题的手段，对于物理学的基础研究具有重要意义。“这些量子多体问题同样可用于描述生物大分子、新型材料等的性质，因此，未来的大规模量子模拟平台可以应用于生物医药、新材料研发、新能源等重要领域。”段路明说道。