全民斗牛牛
北京凝聚態物理國家研究中心
Q03組供稿
第73期
2020年09月22日
超導量子計算進展:多體局域化遷移率邊界的量子模擬

  引言:物理学家安德森在上世纪七十年代特别指出,“多则异也”(More is different),阐述了科学研究中多粒子复杂系统在不同尺度上演生的集体行为有别于个体和少体系统的现象,一定程度平息了科学研究中哪些领域更基本的争论,也被称为是凝聚态物理等领域的“独立宣言”(见中科院物理研究所3月30日微信公众号)。

  在量子计算领域,经过多年的努力,我们也见证了量子比特数从初期个位数到现今两位数的增长历程,无疑比特数的增加还会继续,那么这种发展是一种单纯数目的增加,还是我们期望一种“多则异也”的从量变到质变或者演生行为呢?2019年,谷歌量子计算团队发文宣称已经达到量子优越性(又称量子霸权,quantum supremacy),引起公众普遍的关注,这种进展可以被归入“多则异也”的一种内涵,即由于比特数的增加,其完成的计算能力不再被经典计算机所取代。有的量子多体物理问题由于计算规模的限制而不能解决,而多粒子的行为并不能由少粒子性质简单推广,如果这种问题在量子比特数增加的情况下有望解决,可为“多则异也”提供新的阐释。

  就量子计算本身来说,超导量子比特现阶段已经达到几十个的水准,但是距离解决具有实用意义的大数分解问题还显得遥不可及,特别需要克服的困难有两个:一是增加量子比特数,另一个是大幅降低错误率。现阶段的研究目标可以选择优先降低错误率或者优先增加量子比特数目。减低错误率在技术上可以利用量子纠错码等技术构建低错误率的逻辑量子比特,实现可容错量子计算,但逻辑比特编码需要多个物理比特资源,如采用多重级联编码或者表面码等技术需要的资源更多,导致在可预见的时间内可应用的高精度逻辑量子比特数目很少。另外的选择是容忍一定的错误率,但先扩展量子比特数目,可以用有噪音中等规模量子(NISQ: Noisy Intermediate-Scale Quantum)技术来概括。可以推测,如果可以找到对错误率有足够容忍冗余的量子计算或者量子模拟的实用化方案,低噪音中等规模量子计算就有望实现有意义的量子优越性。

  研究內容:当一个强关联孤立系统引入足够强的无序时,该系统将不会体现出热化现象,即子系统的约化密度矩阵并不表现出各态遍历(ergodic)行为,这种现象被称之为多体局域化(many-body localization)。多体局域化在很多方面和安德森局域化类似,但不同之处在于其存在长程关联,或者更广泛的含义上属于“非可积系统”。过去几年相关课题进展很多,可以研究丰富的物理现象。各态遍历的热化与多体局域化量子相之间的转变是一种非平衡量子相变,它关注的是高激发态的性质。为了更加清晰地研究这一量子相变,人们引入能量密度谱来区分一个量子态到底是高激发态还是靠近基态。多体局域化与能量密度谱之间的依赖关系引发了大家对多体局域化迁移率边界(mobility edge)问题的讨论(图1),现有的基于严格对角化的数值计算给出了尺寸为24个量子比特左右的系统存在迁移率边界的证据。尽管如此,一些研究者对迁移率边界在热力学极限下的存在性提出了争议。

  具體來說,由能量密度譜和無序強度所決定的熱化/局域化相圖,利用數值算法發現在少粒子情況下具有D形狀相變曲線(圖一),人們還不清楚此曲線性質是一種有限尺寸效應,還是在多粒子極限情況下依然成立。這個問題限于計算難度,經典數值方法並沒有給出確定的答案,但是簡單估計在百量級量子比特情況下,量子計算平台有望給出定性的判斷,那麽這個量子多體問題有望成爲一個實現量子優越性的方案,即百量級量子比特的結果不能用經典計算機取代,屬于近期量子計算機的能力範圍之內。如果我們現在能在少數比特情況高保真度模擬其物理性質,則在量子比特數擴展至百量級量子比特時,有望爲解決此量子多體物理問題提供證據。

  最近几年,全民斗牛牛/北京凝聚態物理國家研究中心范桁课题组和郑东宁课题组等,与浙江大学王浩华课题组在超导量子计算领域合作紧密。近期,合作团队及研究生郭秋江(浙大),孙政杭(物理所)等与兰州大学青年研究員程晨博士,北京计算科学研究中心长聘助理教授Rubem Mondaini等提出了能量密度谱对应的量子多体局域化模拟方案,即系统能量密度和无序强度分别连续可调,在多量子比特超导处理器上可高保真度实现,利用团队制备的多量子比特器件中的19个超导量子比特(图二),在实验上成功观测到依赖能量密度和无序强度的多体局域化与热化转变的行为,与数值模拟的结果相符。值得指出的是此方案可以直接推广到更多量子比特情况,其能量密度经典计算量并不随比特数增加而指数增长,有望提供一个具有科学价值的量子优越性方案并解决此问题,此量子模拟成果于近期在Nature Physics上在线发表。

  在此工作中,合作团队通过定义不同初态的能量密度以及非平衡度,通过研究系统的非平衡动力学,成功观测到了迁移率边界(图3)。另外,由于超导量子模拟器较高的读取精度允许准确测量密度矩阵的对角元,通过研究参与比(participation ratio)以及量子费舍尔信息的非平衡动力学,该实验首次观测到在相同无序强度下,不同能量密度的初始态会表现出不同的参与比与量子费舍尔信息动力学行为(图4),此结果从不同的角度演示了迁移率边界在19量子比特系统中的存在。

  展望:针对量子计算,美国政府首席技术官Michael Kratsios在《财富》(fortune)撰文指出谷歌已经取得了非凡的新成就,针对一些评论认为量子优越性的证明只是一项科学成就,而没有实用价值时指出:这一观点忽视了量子计算的惊人潜力,美国政府认为“无论量子计算的未来如何,我们知道它将是革命性的,它将在美国建成”。无疑,世界各国都非常重视量子计算的研究,但有科学和实用价值的量子计算机研制任重而道远,并非一蹴即就。

  本文的同等贡献一作为:郭秋江(浙江大学)、程晨(兰州大学/北京计算科学研究中心)、孙政杭(中科院物理所),通讯作者为:Rubem Mondaini(北京计算科学研究中心)、范桁(中科院物理所)、王浩华(浙江大学),浙江大学团队宋紫璇,李贺康、王震、任文慧和董航,物理所郑东宁,RIKEN 理论量子物理实验室的张煜然参与了此项工作,见参考文献。

參考文獻:
Qiujiang Guo#, Chen Cheng#, Zheng-Hang Sun#, Zixuan Song, Hekang Li, Zhen Wang, Wenhui Ren, Hang Dong, Dongning Zheng, Yu-Ran Zhang, Rubem Mondaini*, Heng Fan*, H. Wang*,
Observation of energy resolved many-body localization
Nature Physics, (2020).
https://www.nature.com/articles/s41567-020-1035-1
https://doi.org/10.1038/s41567-020-1035-1


图1. 多体局域化迁移率边界的示意图。


图2. 19比特超导量子模拟器示意图


图3. 多体局域化迁移率边界的实验证据。实验数据与数值模拟有较高符合程度。


图4. 在相同无序强度下,不同能量密度的初态给出不同的参与比和量子费舍尔信息的动力学性质。