量子Ising模型中Kibble-Zurek機制的量子模擬實驗研究

《量子Ising模型中Kibble-Zurek機制的量子模擬實驗研究》是依託中國科學技術大學，由韓永建擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：量子Ising模型中Kibble-Zurek機制的量子模擬實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：韓永建
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

一些簡單的量子系統，例如量子光學、離子阱、冷原子系統，可以被非常好的操控，它們是實現量子調控的理想系統。就目前的技術水平而言，在可以預見的一段時間內，要實現有一定規模的普適量子計算還是一個非常有挑戰的任務。然而，現有的技術已經可以用來實現一些特定的量子任務，特別是模擬一些基本物理原理，例如相變非平衡動力學中的Kibble-Zurek(K-Z)機制。K-Z機制是描述相變過程中拓撲缺陷密度與系統參數變化速率之間關係的理論,它直接和相變過程中的對稱破缺相關聯。在經典相變（由溫度驅動）情況下，已有實驗驗證了K-Z機制的有效性。然而在量子相變（由量子起伏驅動）中，到現在為止，還未有可靠的實驗來檢驗其正確與否。我們將在前期工作的基礎上利用量子光學系統來模擬橫場量子Ising 模型中的拓撲缺陷密度，進而檢驗量子相變中的K-Z機制。

結題摘要

量子模擬是研究量子力學基本性質和多體物理現象的重要手段。量子光學和離子阱系統這樣的簡單量子系統，由於其精確的操控性，是實現量子調控、量子模擬的理想系統。(1) 基於離子阱中的囚禁離子，我們成功的模擬了橫場量子Ising 模型在相變點附近的動力學過程，檢驗了量子相變中的K-Z 機制，得出了對稱破缺導致的拓撲缺陷密度與系統參數變化速率之間的標度關係；我們還進一步模擬研究了量子Ising模型中的動力學相變問題。(2) 基於光學系統，我們模擬了非厄米系統的演化，檢驗了PT理論與No-signaling原理的相容性問題；模擬了Majorana零模的非阿貝爾交換關係，展示了拓撲保護的 量子比特；利用量子隨機行走，直接測量了周期驅動自旋軌道耦合系統的體拓撲不變數，研究了動力學拓撲分類等問題；實驗研究了非局域與量子上下文關係等量子力學基本問題。(3) 基於經典計算機，我們發展了基於張量網路算法的經典模擬方法。我們將張量網路、蒙特卡洛方法與梯度最佳化方法相結合，形成了一套高並行的有效研究多體強關聯繫統的模擬方法，已在J1-J2模型和費米系統的計算中體現了強大的計算能力，有望在一些長期懸而未解的多體系統模擬中展現優勢。