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-哈伯德模型，达到了约14亿亿的有效希尔伯特空间维度，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。

　　图片来自《物理评论快报》

　　在量子相变方面，团队通过绝热演化实现了相干相和非相干相之间的转化，在此过程中通过测量空间自旋关联这一序参量，成功在不同规模的离子阵列中观测到量子相变现象，且与密度矩阵重整化群方法近似计算的结果相符。DMRG是一种用来精准计算量子多体系统的数值算法，1992年由美国物理学家Steven R. White提出。

　　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。